KR20060042924A - Hard laminate coating, process and apparatus for producing the same - Google Patents

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가즈키 다카하라
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가부시키가이샤 고베 세이코쇼
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Abstract

특정 조성으로 이루어진 층 A와 층 B를, 층 A와 층 B와의 조성이 상이하도록 교대로 적층한 경질 적층 피막이다. 1층당 층 A의 두께가 1층당 층 B의 두께의 2배 이상이고, 1층당 층 B의 두께가 0.5nm 이상이고, 1층당 층 A의 두께가 200nm 이하이다. 층 A와 층 B의 조성은 Ti, Cr, Al, V의 질화물, 탄질화물, 탄화물 등이 예시되는 입방정 암염형 구조를 갖는 층 A와, BN, BCN, SiN, SiC, SiCN, B-C, Cu, CuN, CuCN, 금속 Cu 등이 예시되는 입방정 암염형 구조 이외의 결정 구조를 갖는 경질 피막층 B로 한다. 또는 다음 화학식 8을 만족시키는 화학 조성으로 이루어진 층 A와 다음 화학식 9를 만족시키는 화학 조성으로 이루어진 층 B로 한다. It is a hard laminated | multilayer film which alternately laminated | stacked layer A and layer B which consist of a specific composition so that the composition of layer A and layer B may differ. The thickness of layer A per layer is twice or more the thickness of layer B per layer, the thickness of layer B per layer is 0.5 nm or more, and the thickness of layer A per layer is 200 nm or less. The composition of layer A and layer B is a layer A having a cubic rock salt structure in which Ti, Cr, Al, V nitrides, carbonitrides, carbides, etc. are exemplified, and BN, BCN, SiN, SiC, SiCN, BC, Cu, It is set as the hard coat layer B which has crystal structures other than the cubic rock salt type structure which CuN, CuCN, metal Cu, etc. are illustrated. Or a layer A made of a chemical composition satisfying the following formula (8) and a layer B made of a chemical composition satisfying the following formula (9).

화학식 8Formula 8

층 A: Cr(BaCbN1-a-b-cOc)e Layer A: Cr (B a C b N 1-abc O c ) e

0≤ a≤ 0.15, 0≤ b≤ 0.3, 0≤ c≤ 0.1, 0.2≤ e≤ 1.10≤ a≤ 0.15, 0≤ b≤ 0.3, 0≤ c≤ 0.1, 0.2≤ e≤ 1.1

화학식 9Formula 9

층 B: B1-s-tCsNt Layer B: B 1-st C s N t

0≤ s ≤0.25, (1-s-t)/t≤ 1.50≤ s ≤0.25, (1-s-t) / t≤ 1.5

또는 층 A는 (Ti1-x-yAlxMy)(BaCbN1-a-b-c Oc)의 특정 원자비 조성으로 이루어지고, 층 B는 B1-x-yCxNy, Si1-x-yCxNy, C 1-xNx, Cu1-y(CxN1-x)y 중 어느 한 조성에서 선택한 특정 원자비 조성으로 이루어지도록 한다. 또는 층 A는 다음 화학식 1 또는 6 중 어느 한 조성으로 이루어지며, 층 B는 다음 화학식 7의 조성으로 이루어지도록 한다.Or layer A consists of a specific atomic ratio composition of (Ti 1-xy Al x M y ) (B a C b N 1-abc O c ), and layer B is B 1-xy C x N y , Si 1- xy C x N y , C 1-x N x , Cu 1-y (C x N 1-x ) y to have a specific atomic ratio composition selected from the composition. Alternatively, the layer A is made of any one of the following Formula 1 or 6, layer B is to be made of the composition of the following formula (7).

화학식 1Formula 1

(Ti1-x-yAlxMy)(BaCbN1-a-b-cOc )(Ti 1-xy Al x M y ) (B a C b N 1-abc O c )

화학식 6Formula 6

(Cr1-αXα)(BaCbN1-a-b-cOc)e (Cr 1-α X α ) (B a C b N 1-abc O c ) e

(X는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Al, Si 중 어느 1종 이상에서 선택된 금속 원소)(X is a metal element selected from any one or more of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Al, Si)

화학식 7Formula 7

M(BaCbN1-a-b-cOc)M (B a C b N 1-abc O c )

(M은 W, Mo, V, Nb 중 어느 1종 이상에서 선택되는 금속 원소)(M is a metal element selected from any one or more of W, Mo, V, and Nb)

Description

경질 적층 피막, 그 제조방법 및 성막 장치{HARD LAMINATE COATING, PROCESS AND APPARATUS FOR PRODUCING THE SAME} Hard Lamination Film, Manufacturing Method and Forming Apparatus {HARD LAMINATE COATING, PROCESS AND APPARATUS FOR PRODUCING THE SAME}             

도 1은 본 발명의 경질 피막의 적층 구조를 모식적으로 나타낸 단면도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is sectional drawing which shows typically the laminated structure of the hard film of this invention.

도 2는 종래의 경질 피막을 모식적으로 나타낸 단면도이다.2 is a cross-sectional view schematically showing a conventional hard film.

도 3은 본 발명의 경질 피막을 성막하는 장치의 일 태양을 나타내는 설명도이다. It is explanatory drawing which shows one aspect of the apparatus which forms a hard film of this invention.

도 4는 본 발명의 경질 피막을 성막하는 장치의 다른 태양을 나타내는 설명도이다. It is explanatory drawing which shows another aspect of the apparatus which forms a hard film of this invention.

도 5는 본 발명의 경질 피막을 성막하는 장치의 다른 태양을 나타내는 설명도이다. It is explanatory drawing which shows another aspect of the apparatus which forms a hard film of this invention.

도 6은 본 발명의 경질 피막을 성막하는 장치의 다른 태양을 나타내는 설명도이다. It is explanatory drawing which shows the other aspect of the apparatus which forms a hard film of this invention.

도 7은 본 발명에 따른 경질 피막의 두께 방향 단면의 미크로 조직을 나타내는 도면으로, 도 7a는 모식도, 도 7b는 종단면도이다.It is a figure which shows the micro structure of the thickness direction cross section of the hard film which concerns on this invention. FIG. 7A is a schematic diagram, FIG. 7B is a longitudinal cross-sectional view.

도 8은 본 발명의 복합 성막 장치의 다른 실시태양을 나타내는 정면도이다.8 is a front view showing another embodiment of the composite film forming apparatus of the present invention.

도 9는 본 발명의 복합 성막 장치의 또 다른 실시태양을 나타내는 평면도이다. 9 is a plan view showing another embodiment of the composite film deposition apparatus of the present invention.

도 10은 질소 분압과 경질 피막중의 질소 함유량과의 관계를 나타내는 설명도이다.It is explanatory drawing which shows the relationship between nitrogen partial pressure and nitrogen content in a hard film.

도 11은 질소 분압과 경질 피막의 표면 조도(Ra)의 관계를 나타내는 설명도이다. It is explanatory drawing which shows the relationship between nitrogen partial pressure and the surface roughness Ra of a hard film.

도 12는 질소 분압과 경질 피막의 비커스 경도의 관계를 각각 나타내는 설명도이다.It is explanatory drawing which shows the relationship between the nitrogen partial pressure and the Vickers hardness of a hard film, respectively.

도 13은 본 발명의 스퍼터링 증발원의 일 태양을 나타내며, 도 13a는 스퍼터링 타겟재의 평면도, 도 13b는 스퍼터링 증발원의 정면도이다.Fig. 13 shows one aspect of the sputtering evaporation source of the present invention, Fig. 13A is a plan view of the sputtering target material, and Fig. 13B is a front view of the sputtering evaporation source.

도 14는 본 발명의 스퍼터링 증발원의 다른 태양을 나타내고, 도 14a는 스퍼터링 타겟재의 평면도, 도 14b는 스퍼터링 증발원의 정면도이다.14 shows another embodiment of the sputtering evaporation source of the present invention, FIG. 14A is a plan view of the sputtering target material, and FIG. 14B is a front view of the sputtering evaporation source.

도 15는 본 발명의 스퍼터링 증발원의 다른 태양을 나타내고, 도 15a는 스퍼터링 타겟재의 평면도, 도 15b는 스퍼터링 증발원의 정면도이다.15 shows another embodiment of the sputtering evaporation source of the present invention, FIG. 15A is a plan view of the sputtering target material, and FIG. 15B is a front view of the sputtering evaporation source.

본 발명은 결정 입자 직경을 미세하게 제어하여, 우수한 기계적 특성을 얻을 수 있는 경질 적층 피막, 절삭 공구나 자동차용 미끄럼 운동 부재 등의 표면에 형 성되는 내마모성을 갖는 경질 적층 피막, 및 내마모성이나 내산화성이 우수한 경질 적층 피막에 관한 것이다.The present invention provides a hard laminated film having fine control of the crystal grain diameter to obtain excellent mechanical properties, a hard laminated film having abrasion resistance formed on a surface of a cutting tool or an automobile sliding member, and abrasion resistance and oxidation resistance. It is related with this excellent hard laminated film.

또한, 본 발명은 아크 증발원 및 스퍼터링 증발원을 각각 구비하여, 우수한 특성의 경질 적층 피막을 성막할 수 있는 복합 성막 장치에 관한 것이다.Moreover, this invention relates to the composite film-forming apparatus which is equipped with the arc evaporation source and the sputtering evaporation source, respectively, and can form the hard laminated film of the outstanding characteristic.

최근, 초경합금, 서멧 또는 고속도공구강 등을 기재로 하는 절삭 공구나 자동차용 미끄럼 운동 부재 등의 내마모성 개선의 필요성이 높아지고 있어, 이들 부재 표면에 사용되고 있던 내마모성 피막의 개선이 검토되고 있다.In recent years, the necessity of improvement of abrasion resistance of cutting tools based on cemented carbide, cermet, high-speed coated steel, etc., and sliding parts for automobiles is increasing, and the improvement of the wear-resistant coating used on the surface of these members is examined.

이 내마모성 피막으로서는, 종래부터 TiN이나 TiCN, Ti와 Al의 복합 질화 피막인 TiAlN 등의 경질 피막을 상기 기재상(부재상)에 코팅하는 것이 실시되고 있다.As this abrasion resistant film, conventionally, a hard film such as TiN, TiCN, TiAlN, which is a composite nitride film of Ti and Al, is coated on the base material (member shape).

이들 내마모성 피막의 내마모성 개선은 지금까지 주로 제 3 원소를 첨가함으로써 피막의 결정 입자를 미세화하여 특성을 개선하는 시도가 이루어져 왔다. 예컨대, 절삭 공구의 경우에는 TiAlN 피막에 Si나 B를 첨가함으로써 내산화성이 향상되는 동시에 결정 입자의 미세화에 의해 고경도화하는 것이 보고되어 있다(미국 특허 제 5,580,653호 공보, 미국 특허 제 5,318,840호 공보 참조). 또한, 자동차의 피스톤 링을 대표로 하여 미끄럼 운동 부재에 사용되고 있는 CrN막에 B를 첨가하여 고경도화함으로써 내마모성을 개선하는 방법도 제안되어 있다(미국 특허 제 6,232,003 호 공보 참조).In order to improve the wear resistance of these wear resistant films, attempts have been made to refine the crystal grains of the film by improving the properties mainly by adding a third element. For example, in the case of a cutting tool, it is reported that the oxidation resistance is improved by adding Si or B to the TiAlN film and at the same time, the hardness is increased by miniaturization of crystal grains (see US Patent No. 5,580,653 and US Patent No. 5,318,840). ). In addition, a method of improving the wear resistance by adding B to the CrN film used for the sliding member as a representative of the piston ring of an automobile is made high (see US Patent No. 6,232,003).

또한, 종래의 경질 피막으로의 원소 첨가에 의한 특성 개선을 목적으로 하여, 아크 및 스퍼터링 증발원을 갖는 장치로 TiN을 아크 증발원으로 성막하면서, 스퍼터링으로 Si를 첨가하여, TiSiN막을 형성함으로써 경도를 증가시키는 등의 특성 개선이 시도된 예도 있다(K. H. Kim et al. Surf. Coat. Technol, 298(2002) 243∼244, 247 페이지 참조).In addition, for the purpose of improving the characteristics by adding elements to the conventional hard film, while forming TiN as an arc evaporation source with an apparatus having an arc and a sputtering evaporation source, Si is added by sputtering to increase the hardness by forming a TiSiN film. Some attempts have been made to improve such properties (see KH Kim et al. Surf. Coat. Technol, 298 (2002) 243-244, 247).

이러한 내마모성 피막중에 원소를 첨가하여 피막의 결정 입자를 미세화하는 방법에서는, 결정 입자의 미세화의 정도는 원소의 첨가량에 따라 정해지며, 첨가량을 변화시킴으로써만 피막의 입자 직경의 제어가 가능하다. 따라서, 상이한 입자 직경의 피막을 제작하기 위해서는 원소의 첨가량을 변화시킨 타겟을 다수개 제작할 필요가 생긴다. 이 때문에, 목적에 맞춘 입자 직경의 샘플, 즉, 목적에 맞춘 특성을 갖는 피막을 작성하는 것은 매우 번잡해져, 실용적인 문제점이 있다.In the method of refining the crystal grains of the film by adding an element to such a wear-resistant film, the degree of crystal grain refinement is determined according to the amount of the element added, and the particle diameter of the film can be controlled only by changing the amount. Therefore, in order to manufacture the film of a different particle diameter, it is necessary to produce many targets which changed the addition amount of an element. For this reason, making the sample of the particle diameter according to the objective, ie, the film which has the characteristic according to the objective, becomes very complicated, and there exists a practical problem.

또한, 고경도이더라도 내마모성이 우수한 절삭 공구용 경질 피막으로서, 결정 구조가 암염 구조형을 주체로 하는 것을 바람직한 형태로 하는 경질 피막도 제안되었다(미국 특허 제 6,767,658 호 공보, 미국 특허공개 공보 제 2002-168552 호 참조). 이들 경질 피막 조성은 예컨대, (Tia, Alb, Vc)(C1-d Nd), 여기서, 0.02≤ a≤ 0.3, 0.5<b≤ 0.8, 0.05<c, 0.7≤ b+c, a+b+c=1, 0.5≤ d≤ 1(a, b, c는 각각 Ti, Al, V의 원자비를 나타내고, d는 N의 원자비를 나타낸다) 등으로 이루어진다.In addition, as a hard film for cutting tools having excellent wear resistance even at high hardness, a hard film having a crystal structure mainly composed of a rock salt structure type has been proposed (US Patent No. 6,767,658, US Patent Publication No. 2002-168552). Reference). These hard film compositions are, for example, (Tia, Alb, Vc) (C1-d Nd), where 0.02≤a≤0.3, 0.5 <b≤0.8, 0.05 <c, 0.7≤b + c, a + b + c = 1, 0.5≤d ≤ 1 (a, b, c each represent an atomic ratio of Ti, Al, V, and d represents an atomic ratio of N) and the like.

일반적으로 암염 구조형의 경질 피막은 θ-2θ법에 의한 X선 회절로 측정할 수 있다. 예컨대, (TiAlV)(CN) 등의 경질 피막은 암염 구조형의 결정 구조를 가지며, 암염 구조형의 TiN의 Ti의 사이트에 Al, V가 치환하여 들어 간 암염 구조형의 복합 질화물을 구성한다. 이 경우, 암염 구조형의 AlN(격자 정수 4.12A)은 고온 고압상이며, 고경도 물질이기 때문에 암염 구조를 유지하면서 (TiAlV)(CN)중의 Al의 비율을 높이면, (TiAlV)(CN)막의 경도를 더욱 높일 수 있다.In general, the hard film of the rock salt structure type can be measured by X-ray diffraction by the θ-2θ method. For example, a hard film such as (TiAlV) (CN) has a rock salt structure crystal structure, and constitutes a complex rock nitride salt compound in which Al and V are substituted at the Ti site of TiN of the rock salt structure type. In this case, AlN (lattice constant 4.12A) of the rock salt structure type is a high-temperature, high-pressure phase, and because it is a high hardness material, if the ratio of Al in (TiAlV) (CN) is increased while maintaining the rock salt structure, the hardness of the (TiAlV) (CN) film is Can be further increased.

상술한 바와 같은 다층의 경질 피막의 성막에는, 경질 재료에 따라, 복수의 아크 증발원이나 스퍼터링 증발원, 또는 전자빔 증발원을 각각 조합하여 기판상에 각 경질 피막층을 각각 형성하는 장치 내지 방법이 있다.As described above, there are apparatuses and methods for forming each hard film layer on a substrate by combining a plurality of arc evaporation sources, sputtering evaporation sources, or electron beam evaporation sources, respectively, depending on the hard material.

이 중, 복수의 아크 증발원이나 스퍼터링 증발원을 각각 조합하여, 기판상에 경질 피막층을 각각 또는 순차적으로 형성하는 장치는 아크 증발원과 스퍼터링 증발원의 각각 다른 특성을 살려 성막할 수 있는 점에서 성막 효율이 양호한 장치라고 할 수 있다.Among them, a device in which a plurality of arc evaporation sources or sputtering evaporation sources are combined to form a hard coating layer on the substrate, respectively, or sequentially, has a good film forming efficiency in that the film can be formed by utilizing different characteristics of the arc evaporation source and the sputtering evaporation source. It can be called a device.

예컨대, 아크 증발원과 스퍼터링 증발원의 특성 비교에 있어서, 아크 증발은 스퍼터링 증발에 비해 성막 속도는 빠르지만, 성막 속도의 조정이 어렵고, 박막의 피막층의 두께를 정확히 제어하기가 어렵다. 이에 반해, 스퍼터링 증발원은 아크 증발원에 비해 성막 속도는 느리지만, 성막 속도의 조정이 용이하고, 매우 작은 투입전력으로 작동하기 때문에 박막의 피막층의 두께를 정확히 제어할 수 있는 특성이 있다. For example, in comparing the characteristics of the arc evaporation source and the sputtering evaporation source, the arc evaporation is faster than the sputter evaporation, but it is difficult to adjust the film formation rate, and it is difficult to accurately control the thickness of the film layer of the thin film. On the other hand, the sputtering evaporation source is slower than the arc evaporation source, but it is easy to adjust the deposition rate and operates with a very small input power, so that the thickness of the film layer of the thin film can be precisely controlled.

이 때문에, 비교적 두꺼운 피막층에 대하여 아크 증발원을 이용하고, 비교적 얇은 피막층에 대하여 스퍼터링 증발원을 이용하면, 각 피막층의 두께 제어가 용이해져, 종합적인 성막 속도도 빠르게 할 수 있다.For this reason, when an arc evaporation source is used for a relatively thick film layer and a sputtering evaporation source is used for a relatively thin film layer, thickness control of each film layer becomes easy, and a comprehensive film-forming speed can also be made quick.

이러한 복수의 아크 증발원이나 스퍼터링 증발원을 각각 조합한 바와 같은 복합 성막 장치로서, 동일 성막 챔버내에 아크 증발원 및 스퍼터링 증발원을 복수 배치한 성막 장치는 공지되어 있다.BACKGROUND ART As a complex film forming apparatus in which a plurality of such arc evaporation sources and sputtering evaporation sources are respectively combined, a film forming apparatus in which a plurality of arc evaporation sources and sputtering evaporation sources are arranged in the same film forming chamber is known.

예컨대, 아크 증발원이나 스퍼터링 증발원을 교대로 전환하여 작동시켜 아크 증발원에 의해 금속 이온 에칭을 실시한 후에 아크 증발원을 정지하고, 프로세스 가스를 도입한 후, 스퍼터링 증발원에 의해 경질 피막을 성막하는 장치 및 방법이 제안되어 있다(미국 특허 제 5,234,561 호 공보 참조).For example, an apparatus and a method for forming a hard film by a sputtering evaporation source after switching the arc evaporation source or the sputtering evaporation source, operating the arc evaporation source, stopping the arc evaporation source after introducing the metal ion etching by the arc evaporation source, and introducing the process gas Has been proposed (see US Pat. No. 5,234,561).

또한, 아크 증발원 및 스퍼터링 증발원에 자장 인가 기구를 구비하는 성막 장치도 제안되어 있다(유럽 특허 공개 공보 제 0403552호, 미국 특허 제 6,232,003 호 공보 참조). 또한, 미국 특허 제 6,232,003 호 공보의 도 7에는 종래 기술로서, 자장 인가 기구를 구비하지 않은 아크 증발원 및 스퍼터링 증발원의 각각의 자장이 상호 간섭하는 영향이 기재되어 있다.Moreover, the film-forming apparatus provided with the magnetic field application mechanism in the arc evaporation source and the sputtering evaporation source is also proposed (refer European patent publication No. 0403552 and US patent 6,232,003). In addition, Fig. 7 of US Pat. No. 6,232,003 discloses, as a prior art, the effects of mutual interference between the respective magnetic fields of the arc evaporation source and the sputtering evaporation source which do not have a magnetic field application mechanism.

또한, 아크 증발원과 스퍼터링 증발원을 동시에 작동시킴으로써, 경질 피막을 형성하거나, 피막에 제 3 원소를 첨가하여 피막의 결정 입자를 미세화하거나, 내마모성 등의 특성을 개선하는 것도 공지되어 있다. 예컨대, TiN 피막이나 절삭 공구 등의 TiAlN 피막에 Si나 B를 첨가함으로써, 내산화성이 향상되는 동시에 결정 입자의 미세화에 의해 고경도화하는 것이 제안되었다(미국 특허 제 5,580,653 호 공보, 미국 특허 제 5,318,840 호 공보, K. H. Kim et al. Surf. Coat. Technol. 298(2002) 243∼244, 247 페이지 참조). 또한, 자동차의 피스톤 링을 대표로 하여 미끄럼 운동 부재에 사용되고 있는 CrN막에 B를 첨가하여, 고경도화함으로써 내마모성을 개선하는 방법도 제안되었다(미국 특허 제 6,232,003 호 공보 참조).It is also known to simultaneously form an arc evaporation source and a sputtering evaporation source to form a hard film, or to add a third element to the film to refine the crystal grains of the film, or to improve characteristics such as wear resistance. For example, by adding Si or B to a TiAlN film such as a TiN film or a cutting tool, it has been proposed to improve oxidation resistance and to increase hardness by miniaturization of crystal grains (US Pat. No. 5,580,653, US Pat. No. 5,318,840). Publication, KH Kim et al. Surf.Coat.Technol. 298 (2002) 243-244, 247). In addition, a method of improving the wear resistance by adding B to the CrN film used for the sliding member by using the piston ring of an automobile as a representative and increasing the hardness is also proposed (see US Patent No. 6,232,003).

결정 구조가 암염 구조형을 주체로 하는 경질 피막에 있어서도, 성막 조건에 따라 암염 구조형 경질 피막의 결정 입자 직경(이하, 결정 입경이라고도 함)이 조대해졌을 경우, 고경도화에 따른 내마모성 향상에는 한계가 있다.Even in a hard film whose crystal structure mainly consists of a rock salt structure type, when the crystal grain diameter (hereinafter also referred to as crystal grain size) of the rock salt structure hard film becomes coarse depending on the film formation conditions, there is a limit in improving wear resistance due to high hardness. .

또한, 상기 종래 기술은 모두 피막 중에 특정한 원소를 균일하게 첨가하는 것으로, 단일한 화학 조성으로 이루어진 단일층의 피막을 형성하는 것이다. 이렇게 해서 형성된 피막은 피막을 구성하는 결정 입자가 미세화됨으로써 고경도화되어 내마모성이 개선되는 것이지만, 피막 표면의 마찰 계수의 저감이 불충분하여 내마모성 및 윤활성의 개선이 충분하지 않은 점, 고경도화에 따라 상대 부재로의 공격성이 커지는 점 등 추가적인 개선의 여지를 남기고 있다.In addition, all the said prior art adds a specific element uniformly in a film, and forms a single layer film which consists of a single chemical composition. The film thus formed is hardened by miniaturization of the crystal grains constituting the film, thereby improving wear resistance.However, the friction coefficient on the surface of the film is insufficient to improve the wear resistance and lubricity. There is room for further improvement, including the aggressiveness of the furnace.

또한, 이들 종래의 방법이나 수단으로 형성한 경질 피막은 점점 더 요구가 가혹해지는 절삭 공구나 미끄럼 운동 부품에 대해서 충분한 성능을 가지고 있다고는 할 수 없어, 추가적인 내마모성 등의 내구성 개선이 요구되고 있다.In addition, hard films formed by these conventional methods and means do not necessarily have sufficient performance for cutting tools and sliding parts that are increasingly demanded, and further improvement in durability such as wear resistance is required.

예컨대, 상기한 내마모성 피막 중에 Si나 B 등의 원소를 첨가하여, 피막의 결정 입자를 미세화하는 방법에서는 결정 입자의 미세화의 정도는 원소의 첨가량에 따라 정해져, 첨가량을 변화시킴으로써만 피막의 입자 직경의 제어가 가능하다. 따라서, 상이한 입자 직경의 피막을 제작하기 위해서는 원소의 첨가량을 변화시킨 타겟을 복수 제작할 필요가 생긴다. 이 때문에, 목적에 맞는 입자 직경의 샘플, 즉, 목적에 맞는 특성을 갖는 피막을 작성하는 것은 매우 번잡해지는 실용적인 문제점이 있어, 실제로 얻어지는 경질 피막의 내마모성 향상에는 한계가 있다. For example, in the method of adding an element such as Si or B to the wear resistant film to refine the crystal grains of the film, the degree of crystal grain refinement is determined according to the amount of the element added, and only by changing the addition amount of the particle diameter of the film Control is possible. Therefore, in order to produce the film of a different particle diameter, it is necessary to produce two or more target which changed the addition amount of an element. For this reason, the preparation of the sample of the particle diameter suitable for the purpose, ie, the film | membrane which has the characteristic according to the objective, has become a very complicated practical problem, and there exists a limit to the improvement of abrasion resistance of the hard film actually obtained.                         

또한, 상술한 종래 장치와 같이, 동일 성막 챔버내에서 아크 증발원과 스퍼터링 증발원을 동시에 작동시키는 경우, 아크 증발원이나 스퍼터링 증발원을 교대로 전환하여 작동시켰다 하더라도 경질 피막 재료나 성막 조건에 따라서는 목표로 하는 치밀한 경질 피막이나 목표로 하는 조성의 경질 피막이 잘 완성되지 않거나, 성막 조작중에 이상 방전하는 등의 성막상의 문제점이 발생하는 것을 피하기 어렵다. 이 때문에, 얻어지는 경질 피막의 고경도화에 따른 내마모성 향상에도 한계가 있었다는 것이 실정이다.In addition, when the arc evaporation source and the sputtering evaporation source are operated simultaneously in the same film formation chamber as in the above-described conventional apparatus, even if the arc evaporation source or the sputtering evaporation source is operated alternately and operated, depending on the hard film material and the film forming conditions, It is difficult to avoid problems in film formation such as a dense hard film or a hard film having a desired composition, or an abnormal discharge during the film forming operation. For this reason, it is a fact that there was a limit also in the improvement of abrasion resistance by the hardening of the obtained hard film.

예컨대, TiN이나 TiCN 또는 TiAlN 등의 질화물 경질 피막을 성막하는 경우, 질화물을 형성하기 위해, Ar과 질소의 혼합 가스 분위기 중에서 성막한다. 그러나, 동일 성막 챔버내에 있어서는, 상기 아크 증발원이나 스퍼터링 증발원으로부터의 방출 전자가, 기판과 마찬가지로 애노드가 되는 챔버측에 용이하게 유도되기 쉽다. 이 결과, 방출 전자의 농도가 묽어지고, 스퍼터링 가스나 반응성 가스와의 충돌이 적어져, 고효율로 가스의 이온화를 실시하기 어렵다.For example, when forming a nitride hard film such as TiN, TiCN or TiAlN, the film is formed in a mixed gas atmosphere of Ar and nitrogen to form nitride. However, in the same film formation chamber, emission electrons from the arc evaporation source and the sputtering evaporation source are easily induced to the side of the chamber which becomes the anode as in the substrate. As a result, the concentration of emitted electrons decreases, and there is less collision with the sputtering gas or the reactive gas, and it is difficult to ionize the gas with high efficiency.

또한, 스퍼터링 증발원에는 Ar(아르곤), Ne(네온), Xe(제논) 등 불활성의 스퍼터링 가스가 사용되는 한편, 아크 증발원에는 질소, 메테인, 아세틸렌 등의 반응성 가스(반응 가스)가 사용된다. 이 때문에, 동일 성막 챔버내에서 아크 성막과 스퍼터링 성막을 동시에 실시하는 경우, 특히, 피막 성능의 향상을 위해, 질소 등의 반응성 가스의 분압을 높게 하여 성막을 실시하는 경우에는 스퍼터링 증발원에 사용하는 재료에 따라서는 스퍼터링 타겟재가 상기 반응 가스와 반응하여, 타겟재 표면에 절연체(절연물)가 생겨, 이 절연체에 의해 스퍼터링 증발원에서 이상 방전( 아킹)이 발생할 가능성이 높다. 그리고, 이 문제도 고효율의 가스 이온화를 저해한다.In addition, an inert sputtering gas such as Ar (argon), Ne (neon), Xe (xenon) is used as the sputtering evaporation source, and a reactive gas (reactive gas) such as nitrogen, methane, acetylene is used as the arc evaporation source. For this reason, when arc film formation and sputtering film formation are performed simultaneously in the same film formation chamber, especially when film formation is carried out by increasing the partial pressure of a reactive gas such as nitrogen in order to improve the film performance, the material used for the sputtering evaporation source. In some cases, the sputtering target material reacts with the reaction gas to generate an insulator (insulator) on the surface of the target material, and this insulator is likely to cause abnormal discharge (arking) in the sputtering evaporation source. This problem also hinders high efficiency gas ionization.

이와 같이 고효율에서의 가스의 이온화가 저해되었을 경우, 기판에 대한 이온 조사를 강화할 수 없게 되고, 경질 피막층의 치밀화를 도모할 수 없게 되어, 표면이 거칠어지는 등 표면 성상도 저하된다. 그 결과, 종래의 성막 장치에서는 특히, 동일 성막 챔버내에서, 아크 증발원과 스퍼터링 증발원을 동시에 작동시키는 경우, 경질 피막의 고경도화 등의 고특성화나 고성능화에 큰 한계가 생긴다. In this way, when ionization of the gas at high efficiency is inhibited, ion irradiation to the substrate cannot be strengthened, densification of the hard coat layer can not be achieved, and the surface properties such as roughening of the surface are also reduced. As a result, in the conventional film forming apparatus, especially when the arc evaporation source and the sputtering evaporation source are operated at the same time in the same film forming chamber, there is a big limitation in high characteristics such as high hardness of the hard film and high performance.

본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 암염 구조형 경질 피막의 결정 입자 직경을 미세화시켜서, 경질 피막의 내마모성 등의 특성을 개선한 경질 피막, 종래의 경질 피막보다 더욱 내마모성 및 윤활성이 우수한 경질 피막, 내마모성이나 내산화성이 우수한 경질 적층 피막을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 동일 성막 챔버내에서 아크 증발원과 스퍼터링 증발원을 동시에 작동시키는 경우에, 성막상의 문제가 발생하지 않고 원하는 특성의 경질 피막을 얻을 수 있는 복합 성막 장치 및 스퍼터링 증발원을 제공하는 것을 목적으로 한다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and has been made in such a way that the crystal grain diameter of the rock salt-structure hard film is refined to improve the characteristics such as the wear resistance of the hard film, a hard film having better wear resistance and lubricity than a conventional hard film, An object of the present invention is to provide a hard laminated film having excellent wear resistance and oxidation resistance. In addition, it is an object of the present invention to provide a composite film forming apparatus and a sputtering evaporation source capable of obtaining a hard film having desired characteristics without causing a problem in film formation when the arc evaporation source and the sputtering evaporation source are simultaneously operated in the same film formation chamber.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 경질 적층 피막의 구성, 즉 하기와 같은 본 발명의 제 1 내지 4 발명에 공통적인 경질 적층 피막의 구성은 특정 조성으로 이루어진 층 A 및 층 B가 교대로 적층되어 있고, 층 A의 결정 구조와 층 B의 결정 구조가 상이하며, 1층당 층 A의 두께가 1층당 층 B의 두께의 2배 이상이고, 1층 당 층 B의 두께가 0.5nm 이상이고, 1층당 층 A의 두께가 200nm 이하인 것이다.In order to achieve the above object, the structure of the hard laminated film of the present invention, that is, the structure of the hard laminated film common to the first to fourth inventions of the present invention as described below is alternately laminated with layers A and B made of a specific composition. The crystal structure of layer A is different from that of layer B, the thickness of layer A per layer is at least twice the thickness of layer B per layer, and the thickness of layer B per layer is at least 0.5 nm, The thickness of layer A per layer is 200 nm or less.

상기 목적을 달성하기 위한 제 1 발명의 경질 적층 피막의 요지는 입방정 암염형 구조를 갖는 경질 피막층 A와, 입방정 암염형 구조 이외의 결정 구조를 갖는 경질 피막층 B가 교대로 적층된 피막 구조를 갖는 미세 결정 경질 피막이다.The gist of the hard laminated film of the first invention for achieving the above object is a fine film having a film structure in which a hard film layer A having a cubic rock salt structure and a hard film layer B having a crystal structure other than the cubic rock salt structure are alternately laminated. It is a crystalline hard film.

제 1 발명에 있어서는 상기 요지와 같이, 서로 결정 구조가 상이한 2층의 경질 피막층을 조합하여 적층 구조로 함으로써, 주상이 되는 입방정 암염형 결정 구조를 갖는 경질 피막층 A의 결정 입자 직경을, 간편하면서 임의로 미세하게 제어한다. In the first aspect of the present invention, by forming a laminated structure by combining two hard coating layers having different crystal structures as described above, the crystal grain diameter of the hard coating layer A having a cubic rock salt crystal structure as a main phase is simply and arbitrarily selected. Fine control.

즉, 입방정 암염형 결정 구조의 경질 피막층 A을, 입방정 암염형 구조를 갖지 않는 결정 구조의 경질 피막층 B와, 교대로, 또한 순차적으로 성막(적층)한 경우, 이 경질 피막층 B 부분에서, 그 하층이 되는 경질 피막층 A의 결정 성장이 일단 중단된다. 그리고, 또한, 경질 피막층 A의 성막(적층)을 실시한 경우, 상기 경질 피막층 B 위로부터 경질 피막층 A의 새로운 결정 성장이 시작된다. 따라서, 경질 피막층 A의 결정 입자 직경을 미세하게 제어할 수 있다.That is, when the hard coating layer A of a cubic rock salt crystal structure is formed into a hard coating layer B of a crystal structure which does not have a cubic rock salt structure, alternatingly and sequentially (stacking), it is the lower layer in this hard film layer B part. Crystal growth of the hard film layer A to be stopped once. In addition, when film formation (lamination) of the hard coat layer A is carried out, new crystal growth of the hard coat layer A is started from the hard coat layer B. Therefore, the crystal grain diameter of the hard coat layer A can be finely controlled.

한편, 이 경질 피막층 B을 구비하지 않고 경질 피막층 A만을 적층하여 성막하는 경우나, 또한, 성분이 상이하더라도 동일한 입방정 암염형 결정 구조의 경질 피막층 A 끼리를 적층하여 성막하는 경우에는 경질 피막층 A의 결정 성장은 중단되지 않고 계속해서 성장하게 된다. 그 결과, 조대한 결정 입자 직경이 되기 쉽다.On the other hand, when the film is formed by stacking only the hard film layer A without the hard film layer B, or when the hard film layers A having the same cubic rock salt crystal structure are laminated with each other even if the components are different, the crystals of the hard film layer A are formed. Growth does not stop and continues to grow. As a result, it becomes easy to become coarse crystal grain diameter.

제 1 발명에서는 이러한 경질 피막층 A의 결정 입자의 미세화에 의해, 경질 피막의 고경도화나 내마모성 향상 등 종래의 경질 피막에는 없는 우수한 특성을 얻 을 수 있다. In the first aspect of the invention, by miniaturizing the crystal grains of the hard coat layer A, it is possible to obtain excellent characteristics not found in the conventional hard coat such as high hardness of the hard coat and improvement of wear resistance.

본 발명의 제 2 발명은 상기 구성의 경질 적층 피막에 있어서, 층 A 및 층 B의 조성을 각각 다음과 같이 한 것이다.2nd invention of this invention WHEREIN: The composition of the layer A and the layer B in the hard laminated film of the said structure is as follows, respectively.

층 A: (Cr1-αXα)(BaCbN1-a-b-cOc) e Layer A: (Cr 1-α X α ) (B a C b N 1-abc O c ) e

상기에서, X는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Al 및 Si로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 원소이며, 0≤α≤ 0.9, 0≤ a≤ 0.15, 0≤ b≤ 0.3, 0≤ c≤ 0.1, 0.2≤ e≤ 1.1(α는 X의 원자비를 나타내고, a, b, c는 각각 B, C, O의 원자비를 나타낸다. 이하 동일)이다. In the above, X is one or two or more elements selected from the group consisting of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Al, and Si, 0≤α≤ 0.9, 0≤ a≤ 0.15 , 0 ≤ b ≤ 0.3, 0 ≤ c ≤ 0.1, 0.2 ≤ e ≤ 1.1 (α represents an atomic ratio of X, and a, b, and c represent atomic ratios of B, C, and O, respectively). .

층 B: B1-s-tCsNt Layer B: B 1-st C s N t

상기에서, 0≤ s≤ 0.25,(1-s-t)/t≤1.5(s, t는 각각 C, N의 원자비를 나타낸다. 이하 동일)In the above, 0 ≤ s ≤ 0.25, (1-s-t) / t ≤ 1.5 (s, t represents the atomic ratio of C, N, respectively.

또는, Si1-x-yCxNy Or Si 1-xy C x N y

상기에서, 0≤ x≤ 0.25, 0.5≤(1-x-y)/y≤ 1.4(x, y는 각각 C, N의 원자비를 나타낸다. 이하 동일) In the above, 0 ≤ x ≤ 0.25, 0.5 ≤ (1-x-y) / y ≤ 1.4 (x, y represents the atomic ratio of C, N, respectively.

또는 C1-uNu Or C 1-u N u

상기에서, 0≤ u≤ 0.6(u는 N의 원자비를 나타낸다. 이하 동일)이다. In the above, 0 ≦ u ≦ 0.6 (u represents an atomic ratio of N. The same applies hereinafter).

상기 제 2 발명에 있어서, 상기 α를 0으로 할 수 있다.In said 2nd invention, said (alpha) can be made into 0.

상기 제 2 발명에 있어서, 상기 α를 0.05 이상으로 할 수 있다.In said 2nd invention, said (alpha) can be made 0.05 or more.

상기 제 2 발명에 있어서, 상기 층 A가 암염 입방정 구조를 가지며, CuKα선 을 이용하여 θ-2θ법으로 측정하여 수득된 X선 회절 패턴에서 관찰되는 (111)면 및 (200)면으로부터의 회절선의 반치폭 중 한쪽 이상이 0.3° 이상이 되도록 할 수도 있다.In the second invention, the layer A has a rock salt cubic structure, and diffraction from the (111) plane and the (200) plane observed in the X-ray diffraction pattern obtained by the θ-2θ method using CuKα rays. At least one of the half widths of the lines may be 0.3 ° or more.

제 2 발명에 따르면, 기재 표면에 고경도의 A층과 윤활성을 갖는 B층을 교대로 적층하여 A층을 구성하는 결정립의 성장을 억제하여 미세화함으로써, 종래의 경질 피막보다 더욱 내마모성 및 윤활성이 우수한 경질 피막 및 그 제조방법을 제공하는 것을 실현할 수 있다.According to the second aspect of the invention, a high hardness A layer and a B layer having lubricity are alternately laminated on the surface of the substrate to suppress and refine the growth of the crystal grains constituting the A layer, thereby providing more excellent wear resistance and lubricity than conventional hard coatings. It is possible to provide a hard coating and a method of manufacturing the same.

본 발명의 제 3 발명에 따른 경질 적층 피막의 요지는 상기 구성의 경질 적층 피막에 있어서, 상기 층 A은 화학식 1의 조성으로 이루어지며, 상기 층 B는 화학식 2, 화학식 3, 화학식 4, 화학식 5 중 어느 한 조성에서 선택한 조성으로 이루어진 것이다.The gist of the hard laminated film according to the third aspect of the present invention is that in the hard laminated film having the above structure, the layer A is composed of the formula (1), and the layer B is represented by the formulas (2), (3), (4) and (5). It is made of a composition selected from any one of the compositions.

(Ti1-x-yAlxMy)(BaCbN1-a-b-cOc )(Ti 1-xy Al x M y ) (B a C b N 1-abc O c )

[상기에서, x, y, a, b, c는 각각 원자비를 나타내고, 0.4≤ x≤ 0.8, 0≤ y≤ 0.6, 0≤ a≤ 0.15, 0≤ b≤ 0.3, 0≤ c≤ 0.1, M은 4A, 5A, 6A, Si의 1종 이상에서 선택된 금속 원소][In the above, x, y, a, b, c each represent an atomic ratio, 0.4 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ y ≦ 0.6, 0 ≦ a ≦ 0.15, 0 ≦ b ≦ 0.3, 0 ≦ c ≦ 0.1, M is a metal element selected from at least one of 4A, 5A, 6A and Si]

B1-x-yCxNy B 1-xy C x N y

[상기에서, x, y는 각각 원자비를 나타내고, 0≤ x≤ 0.25, B/N≤ 1.51][In the above, x and y each represent an atomic ratio, 0 ≦ x ≦ 0.25, B / N ≦ 1.51]

Si1-x-yCxNy Si 1-xy C x N y

[상기에서, x, y는 각각 원자비를 나타내고, 0≤ x≤ 0.25, 0.5≤ Si/N≤ 2.0][Wherein, x and y each represent an atomic ratio, 0 ≦ x ≦ 0.25, 0.5 ≦ Si / N ≦ 2.0]

C1-xNx C 1-x N x

[상기에서, x는 원자비를 나타내고, 0≤ x≤ 0.6][Wherein, x represents an atomic ratio and 0 ≦ x ≦ 0.6]

Cu1-y(CxN1-x)y Cu 1-y (C x N 1-x ) y

[상기에서, x, y는 각각 원자비를 나타내고, 0≤ x≤ 0.1, 0≤ y≤ 0.5][Wherein, x and y each represent an atomic ratio, 0 ≦ x ≦ 0.1, 0 ≦ y ≦ 0.5]

제 3 발명에 있어서는 상기 요지와 같이, 경질 피막을, 특정 조성으로 이루어진 층 A와 층 B을 조합하여, 이들 층 A와 층 B와의 조성이 서로 상이하도록 교대로 적층한 적층 구조로 한다.In the third aspect of the invention, as in the above-described aspect, the hard film is a laminated structure in which layers A and B formed of specific compositions are alternately laminated so that the compositions of these layers A and B are different from each other.

또한, 이들 서로 적층하는, 층 A를(TiAlM)(BCNO)계의 특정한 조성으로 이루어진 것으로 하고, 이들 층 B를 (BCN)계, (SiCN)계, (CN)계, Cu(CN)계 중 어느 하나에서 선택한 특정한 조성으로 한다.In addition, these layers A which are laminated with each other are composed of a specific composition of (TiAlM) (BCNO) system, and these layers B are composed of (BCN) system, (SiCN) system, (CN) system, and Cu (CN) system. It is set as the specific composition chosen from either.

이에 따라, 예컨대, 층 A와 같은 단일 조성으로 이루어진 경질 피막이나, 층 A의 적층으로 이루어진 경질 피막에 비해 내마모성이나 내산화성을 대폭 향상시킬 수 있다.As a result, for example, the wear resistance and the oxidation resistance can be significantly improved as compared with the hard film composed of a single composition such as the layer A or the hard film composed of the lamination of the layer A.

본 발명의 제 4 발명에 따른 경질 적층 피막의 요지는 상기 구성의 경질 적 층 피막에 있어서, 층 A는 다음 화학식 1 또는 6 중 어느 하나의 조성으로 이루어지고, 층 B는 다음 화학식 7로 이루어진 것이다.The gist of the hard laminated film according to the fourth aspect of the present invention is that in the hard laminated film having the above structure, layer A is composed of any one of the following formulas (1) and (6), and layer B is of the following formula (7). .

화학식 1Formula 1

(Ti1-x-yAlxMy)(BaCbN1-a-b-cOc )(Ti 1-xy Al x M y ) (B a C b N 1-abc O c )

[상기에서, x, y, a, b, c는 각각 원자비를 나타내고, 0.4≤ x≤ 0.8, 0≤ y≤ 0.6, 0≤ a≤ 0.15, 0≤ b≤ 0.3, 0≤ c≤ 0.1, 또한 M은 4A, 5A, 6A, Si의 1종 이상에서 선택된 금속 원소][In the above, x, y, a, b, c each represent an atomic ratio, 0.4 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ y ≦ 0.6, 0 ≦ a ≦ 0.15, 0 ≦ b ≦ 0.3, 0 ≦ c ≦ 0.1, M is a metal element selected from at least one of 4A, 5A, 6A, and Si]

(Cr1-αXα)(BaCbN1-a-b-cOc)e (Cr 1-α X α ) (B a C b N 1-abc O c ) e

[상기에서, α, a, b, c, e는 각각 원자비를 나타내고, 0≤α≤ 0.9, 0≤ a≤ 0.15, 0≤ b≤ 0.3,0≤ c≤ 0.1, 0.2≤ e≤ 1.1, 또한, X는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Al, Si 중 어느 1종 이상에서 선택된 금속 원소][In the above, α, a, b, c, and e represent an atomic ratio, respectively, 0 ≦ α ≦ 0.9, 0 ≦ a ≦ 0.15, 0 ≦ b ≦ 0.3,0 ≦ c ≦ 0.1, 0.2 ≦ e ≦ 1.1, In addition, X is a metal element selected from any one or more of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Al, Si]

M1-dM1d(BaCbN1-a-b-cOc)M 1-d M1 d (B a C b N 1-abc O c )

[상기에서, M은 W, Mo, V, Nb 중 어느 1종 이상에서 선택되는 금속 원소, M1은 상기 W, Mo, V, Nb를 제외한, 4A, 5A, 6A, Si의 1종 이상에서 선택되는 금속 원소, a, b, c, d는 각각 원자비를 나타내고, 0≤ a≤ 0.15, 0≤ b≤ 0.3, 0≤ c≤ 0.1, 0≤ d≤ 0.3] [In the above, M is a metal element selected from any one or more of W, Mo, V, Nb, M1 is selected from one or more of 4A, 5A, 6A, Si, excluding the W, Mo, V, Nb. The metal elements, a, b, c, and d, respectively, represent an atomic ratio, and 0 ≦ a ≦ 0.15, 0 ≦ b ≦ 0.3, 0 ≦ c ≦ 0.1, and 0 ≦ d ≦ 0.3].

제 4 발명에 따르면, 예컨대, 층 A와 같은 단일 조성으로 이루어진 경질 피 막이나, 층 A의 적층으로 이루어진 경질 피막에 비해 내마모성이나 내산화성을 대폭 향상시킬 수 있다. According to the fourth invention, for example, the wear resistance and the oxidation resistance can be significantly improved as compared with the hard film composed of a single composition such as the layer A or the hard film composed of the lamination of the layer A.

또한, 상기 제 1 내지 4의 본 발명의 경질 적층 피막의 바람직한 형성 방법의 요지는 상기 미세 결정 피막을 자장 인가 기구를 갖는 아크 증발원 및 스퍼터링 증발원이 각각 1대 이상 구비된 성막 장치로 형성하는 방법으로서, 상기 경질 피막층 A의 구성 성분을 아크 증발원에서 증발시키는 동시에, 상기 경질 피막층 B의 구성 성분을 스퍼터링 증발원에서 증발시켜, 기판상에 경질 피막층 A와 B를 교대로 순차적으로 적층해 가는 것이다.In addition, the gist of the preferred method for forming the hard laminated film of the first to fourth aspects of the present invention is a method of forming the microcrystalline film with a film forming apparatus provided with at least one arc evaporation source and one sputtering evaporation source each having a magnetic field applying mechanism. The components of the hard coating layer A are evaporated at the arc evaporation source, the components of the hard coating layer B are evaporated at the sputtering evaporation source, and the hard coating layers A and B are alternately laminated on the substrate.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 5 발명의 복합 성막 장치의 요지는 동일 성막 챔버내에 자장 인가 기구를 갖는 아크 증발원 및 스퍼터링 증발원을 각각 1대이상 배치한 성막 장치로서, 성막하는 기판을 상기 아크 증발원 및 스퍼터링 증발원 사이에서 순차적으로 상대적으로 이동시키는 수단을 가지며, 성막중에, 인접하는 상기 증발원끼리의 자력선이 서로 이어지도록 상기 자장 인가 기구가 구성되어 있는 것이다.Summary of the Invention The fifth aspect of the composite film forming apparatus of the present invention for achieving the above object is a film forming apparatus in which at least one arc evaporation source and a sputtering evaporation source each having a magnetic field applying mechanism are disposed in the same film forming chamber, and the substrate to be deposited is formed using the arc The magnetic field applying mechanism is configured to have a means for sequentially moving relatively between the evaporation source and the sputtering evaporation source, and to form magnetic lines of force between adjacent evaporation sources during film formation.

또한, 이 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복합 성막 장치의 다른 요지는 동일 성막 챔버내에 자장 인가 기구를 갖는 아크 증발원 및 스퍼터링 증발원을 각각 1대 이상 배치한 성막 장치로서, 성막하는 기판을 상기 아크 증발원 및 스퍼터링 증발원 사이에서 순차적으로 상대적으로 이동시키는 수단을 가지며, 성막중에, 스퍼터링 가스를 상기 스퍼터링 증발원 근방으로부터 도입하고, 반응 가스를 상기 아크 증발원 근방으로부터 도입하는 것이다.Another aspect of the composite film forming apparatus of the present invention for achieving this object is a film forming apparatus in which one or more arc evaporation sources and sputtering evaporation sources each having a magnetic field applying mechanism are arranged in the same film forming chamber, wherein the substrate to be formed is deposited on the arc evaporation source. And a means for sequentially moving relatively between the sputtering evaporation sources, during the film formation, the sputtering gas is introduced from the vicinity of the sputtering evaporation source, and the reaction gas is introduced from the vicinity of the arc evaporation source.

또한, 이 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 6 발명의 스퍼터링 증발원의 요지는 상기 복합 성막 장치에 이용하는 스퍼터링 증발원으로서, 에로젼(erosion) 영역 이외의 부분에 전기적으로 절연체인 재료를 사용한 것이다.In addition, the gist of the sputtering evaporation source of the sixth invention of the present invention for achieving this object is to use an electrically insulating material in a portion other than the erosion region as the sputtering evaporation source used for the composite film forming apparatus.

마찬가지로, 본 발명의 제 6 발명의 스퍼터링 증발원의 다른 요지는 상기 복합 성막 장치에 이용하는 스퍼터링 증발원으로서, 에로젼 영역 이외의 부분에, 스퍼터링 타겟의 전위에 대하여 플로팅 전위 또는 그라운드 전위가 되는 실드를 구비한 것이다.Similarly, another aspect of the sputtering evaporation source of the sixth invention of the present invention is a sputtering evaporation source for use in the composite film forming apparatus, and has a shield at a portion other than the erosion region which becomes a floating potential or a ground potential with respect to the potential of the sputtering target. will be.

제 5 발명의 복합 성막 장치에 있어서는 상기 요지와 같이, 성막중에, 인접하는 상기 증발원끼리의 자력선이 서로 이어지도록 상기 자장 인가 기구가 구성되어 있다. In the composite film forming apparatus of the fifth aspect of the invention, the magnetic field applying mechanism is configured such that the magnetic force lines of the adjacent evaporation sources are connected to each other during the film formation, as described in the above-mentioned.

이 때문에, 동일 성막 챔버내의 자력선은 닫힌 상태(폐자장 구조)로 되어 있어, 나중에 상술하는 바와 같이 상기 증발원으로부터의 방출 전자가, 이 폐자장 구조내에 트랩되고, 기판과 마찬가지로 애노드가 되는 챔버에 쉽게 유도되지 않는다. 그 결과, 동일 성막 챔버내에서 아크 성막과 스퍼터링 성막을 동시에 실시하는 경우에서도 방출 전자의 농도가 높아지고, 스퍼터링 가스나 반응성 가스와의 충돌이 많아져, 고효율로 가스의 이온화를 실시할 수 있다. For this reason, the magnetic lines of force in the same film formation chamber are in a closed state (closed magnetic field structure), and as described later, the electrons emitted from the evaporation source are easily trapped in the closed magnetic field structure and easily become an anode as a substrate. Not induced. As a result, even when arc film formation and sputtering film formation are performed simultaneously in the same film formation chamber, the concentration of emitted electrons increases, collisions with sputtering gas and reactive gas increase, and gas can be ionized with high efficiency.

또한, 제 5 발명의 복합 성막 장치에 있어서는 상기 다른 요지와 같이, 성막중에, 스퍼터링 가스를 상기 스퍼터링 증발원 근방으로부터 도입하는 동시에, 반응 가스를 상기 아크 증발원 근방으로부터 도입한다. 이 때문에, 동일 성막 챔버내에서 아크 성막과 스퍼터링 성막을 동시에 실시하는 경우, 그리고 특히, 피막 성능의 향상을 위해 질소 등의 반응성 가스의 분압을 높게 하여 성막을 실시하는 경우라도 스퍼터링 가스로의 질소 등의 반응 가스의 혼합이 생기기 어려워지고, 이온화된 혼합 가스에 의해 타겟 표면으로 절연 피막이 형성되어, 이상 방전이 생기는 문제가 억제된다. 이 때문에, 고효율로 가스의 이온화를 실시할 수 있다.In the composite film forming apparatus of the fifth aspect of the invention, as in the other aspect described above, sputtering gas is introduced from the vicinity of the sputtering evaporation source and film reaction gas is introduced from the vicinity of the arc evaporation source during film formation. For this reason, even when arc film formation and sputtering film formation are performed simultaneously in the same film formation chamber, and especially when film formation is carried out by increasing the partial pressure of reactive gas such as nitrogen to improve the film performance, such as nitrogen to the sputtering gas, etc. Mixing of the reaction gases is unlikely to occur, an insulating film is formed on the target surface by the ionized mixed gas, and the problem of abnormal discharge is suppressed. For this reason, gas can be ionized with high efficiency.

제 5 발명 및 제 6 발명의 각각의 실시, 또는 조합 실시에 따른 고효율에서의 가스의 이온화 촉진에 의해, 기판에 대한 이온 조사를 강화할 수 있어, 경질 피막층의 치밀화에 따른 고경도화 등의 고특성화를 달성할 수 있다. 또한, 이상 방전 등의 성막 중의 이상 발생도 억제할 수 있다.By promoting ionization of the gas at high efficiency according to each of the fifth and sixth inventions, or combinations thereof, ion irradiation to the substrate can be enhanced, and high characteristics such as high hardness due to the densification of the hard coating layer can be achieved. Can be achieved. Moreover, abnormal occurrence in film formation, such as abnormal discharge, can also be suppressed.

또한, 본 제 6 발명의 스퍼터링 증발원의 상기 두 요지와 같이, 스퍼터링 증발원의 비에로젼 영역에 전압이 걸리지 않도록 함으로써, 에로젼 영역으로부터 스퍼터링된 입자가, 비에로젼 영역 상에서 질소 등의 반응 가스와 반응, 결합하여 퇴적되는 일이 없어진다. 그 결과, 여기에 기인하는 이상 방전이 방지되어, 고효율로 가스의 이온화를 실시할 수 있다. In addition, as in the above two aspects of the sputtering evaporation source of the sixth aspect of the present invention, the particles sputtered from the erosion region react with nitrogen on the non-erosion region by preventing voltage from being applied to the non-erosion region of the sputtering evaporation source. It is not reacted, combined with gas, and deposited. As a result, abnormal discharge resulting from excitation can be prevented and gas can be ionized with high efficiency.

우선, 이하에서 본 발명의 경질 피막의 요건에 대하여 실시태양을 설명한다.First, an embodiment is described below with respect to the requirements of the hard film of the present invention.

처음에, 본 제 1 내지 3의 발명에 공통하는 입경 제어의 수법에 대하여 설명한다.First, the method of particle size control common to the inventions of the first to third embodiments will be described.

(경질 피막층 A의 결정 입경의 제어)(Control of Grain Size of Hard Film Layer A)

스퍼터링이나 이온 플레이팅으로 형성한, 절삭 공구나 내마모 미끄럼 운동 부품용으로 많이 사용되고 있는 TiN, CrN 또는 TiAlN 등의, 통상의 경질 피막층 A은 도 2에 피막 결정의 성장 형태를 모식적으로 나타낸 바와 같이, 기판상에서 핵 발생 후, 기둥형으로 성장하면서 기둥형 입자의 폭은 성장과 함께 넓어지는 경향을 나타낸다.The conventional hard coating layer A, such as TiN, CrN or TiAlN, which is widely used for cutting tools and wear-resistant sliding parts formed by sputtering or ion plating, is shown schematically in FIG. Similarly, after nucleation occurs on the substrate, the columnar particles tend to grow in width while growing in a columnar shape.

이에 반해, 예컨대 본 제 1 발명의 경우에는 도 1에 피막 결정의 성장 형태를 모식적으로 나타낸 바와 같이, 경질 피막층 B으로서 입방정 암염형 구조를 갖지 않는 결정 구조의 피막을 선택하여, 경질 피막층 A와 교대로 적층(성막)한다. 이 경우에는 각각 경질 피막층 A의 성장은 각 경질 피막층 B을 삽입함으로써 일단 중단되고, 각각의 경질 피막층 A은 각 경질 피막층 B 위로부터 다시 핵발생 및 성장을 반복한다. 이 때문에, 상기 도 2와 비교하면, 막 두께 방향 및 기판면에 대하여 평행한 방향(가로 방향)의 결정 입경모두 미세화된다. 또한, 도 1, 2는 경질 피막 내지 적층 피막의 단면을 45000배의 TEM 관찰한 결과를 간략화하여 도면화한 것이다. On the other hand, for example, in the case of the first invention, as shown in Fig. 1, the growth pattern of the coating crystal is typically selected as a hard coating layer B, and a coating having a crystal structure having no cubic rock salt structure is selected. Lamination (film formation) is carried out alternately. In this case, growth of the hard coat layer A is stopped once by inserting each hard coat layer B, and each hard coat layer A repeats nucleation and growth from above each hard coat layer B. For this reason, compared with the said FIG. 2, the crystal grain diameter of the film thickness direction and the direction parallel to a board | substrate (horizontal direction) is refine | miniaturized. 1 and 2 show simplified drawings of the TEM observation of 45,000 times the cross section of the hard to laminated film.

예컨대, 경질 피막층 A로서 TiAlN막을, 경질 피막층 B로서 SiN막을 선택하여 층 A의 두께를 약 50nm, 층 B의 두께를 약 5nm으로 하여 상기 적층 구조를 제작한 경우의 TiAlN/SiN 적층 피막의 단면 TEM을 관찰한 결과에서도 상기 도 2와 비교하면, 막 두께 방향의 결정립의 성장이 각 층마다 중단되어 있고, 결정 입자가 미세화되어 있었다. 이러한 결정 입자의 미세화에 의해 피막의 고경도화 등의 종래 피막에는 없는 우수한 특성을 얻을 수 있다.For example, when the TiAlN film is selected as the hard coating layer A and the SiN film is selected as the hard coating layer B, the cross-sectional TEM of the TiAlN / SiN laminated film in the case where the above laminated structure is produced with the thickness of the layer A as about 50 nm and the thickness of the layer B as about 5 nm. As a result, the growth of crystal grains in the film thickness direction was interrupted for each layer, and the crystal grains were refined as compared with FIG. By refinement | miniaturization of such crystal grains, the outstanding characteristic which a conventional film | membrane, such as high hardness of a film | membrane, is obtained can be obtained.

본 제 2 발명에 있어서는 층 A는 결정질(Cr2N형 또는 CrN형)이 되고, 층 B는 비정질이 된다. 이와 같이 결정 상태가 다른 2개의 층을 교대로 적층하여 피막을 형성함으로써 층 A의 결정립은 층 B의 삽입에 의해 피막의 두께 방향으로의 성장이 도중에 중단되어, 층 A의 두께와 동일 정도의 결정 입경에 머물게 된다. 그 결과, 상기 종래 기술과 같이 결정립의 성장의 중단이 없는 경우에 비해 결정립이 보다 미세화되어, 피막의 경도가 더욱 상승한다.In the second invention, the layer A becomes crystalline (Cr 2 N type or CrN type), and the layer B becomes amorphous. In this way, two layers having different crystal states are alternately stacked to form a film, whereby the grains of the layer A are interrupted in the thickness direction of the film by insertion of the layer B, and the crystals having the same thickness as the layer A are crystallized. You will stay at the particle size. As a result, the crystal grains become finer as compared with the case where there is no interruption of the growth of the crystal grains as in the prior art, and the hardness of the film further increases.

다음으로 본 제 1 내지 4의 발명에 공통적인 2 종류의 경질 피막층의 적층 구성 요건에 대하여 설명한다.Next, the laminated constitution requirements of the two types of hard coating layers common to the first to fourth inventions will be described.

(경질 적층 피막의 두께) (Thickness of hard laminated film)

본 발명의 경질 적층 피막 전체의 막 두께는 절삭 공구, 미끄럼 운동 부품 등의 용도에 따라 그 필요성은 다르다. 절삭 공구의 경우에는 대강 1 내지 5μm 정도, 미끄럼 운동 부재의 경우에는 3 내지 100μm 정도가 표준이다. 따라서, 이들 경질 적층 피막의 두께가 되도록 이하에 설명하는 기준으로 층 A, B의 두께를 각각 결정한 후, 적층수를 변화시킴으로써 막 두께를 제어하면 바람직하다.The film thickness of the whole hard laminated film of this invention differs in the necessity according to the use of cutting tools, sliding parts, etc. In the case of a cutting tool, about 1-5 micrometers in general, and in the case of a sliding member, about 3-100 micrometers are standard. Therefore, it is preferable to control the film thickness by changing the number of layers after determining the thickness of layers A and B, respectively, on the basis of the following description so as to be the thickness of these hard laminated films.

(층 A의 막 두께와 층 B의 막 두께의 관계)(Relationship between the film thickness of layer A and the film thickness of layer B)

본 발명의 경질 적층 피막에 있어서, 1층당 층 A의 두께는 1층당 층 B의 두께의 2배 이상으로 한다. 본 발명의 경질 적층 피막의 주상인 층 A는 본 발명의 경질 적층 피막에 요구되는, 고경도, 내마모성, 고산화성 등의 특성을 주로 규정한다. 층 A가 층 B 두께의 2배 미만의 얇은 두께가 되었을 경우, 층 B의 특성이 경질 적층 피막의 특성에 있어서 지배적이 되어 상기 요구 특성을 만족시키지 않게 된다. 이 때문에, 층 A의 두께를 층 B 두께의 2배 이상으로 한다.In the hard laminated film of this invention, the thickness of the layer A per layer shall be 2 times or more of the thickness of the layer B per layer. Layer A, which is a columnar of the hard laminated film of the present invention, mainly defines properties such as high hardness, wear resistance, and high oxidation resistance required for the hard laminated film of the present invention. When the layer A becomes a thin thickness less than twice the thickness of the layer B, the properties of the layer B become dominant in the properties of the hard laminated film and do not satisfy the above required properties. For this reason, the thickness of the layer A is made 2 times or more of the layer B thickness.

예컨대, 본 제 1 발명의 경우, 입방정 암염형 구조를 갖는 경질 피막층 A은 기본적으로 내마모성을 구비하는 주상이며, 입방정 암염형 구조 이외의 결정 구조를 갖는 경질 피막층 B은 경질이기는 하더라도 그 내마모성은 경질 피막층 A에 비하여 떨어진다. 따라서, 경질 피막으로서 우수한 내마모성을 갖기 위해서는 경질 피막으로서, 입방정 암염형 구조를 갖는 경질 피막층 A의 특성이 지배적이게 되는 두께를 확보해야 한다.For example, in the case of the first invention, the hard coating layer A having a cubic rock salt structure is basically a columnar having abrasion resistance, and the hard coating layer B having a crystal structure other than the cubic rock salt structure has a hard coating layer even though it is hard. It is lower than A. Therefore, in order to have excellent abrasion resistance as a hard film, it is necessary to secure a thickness in which the properties of the hard film layer A having a cubic rock salt structure dominate as a hard film.

(층 A의 막 두께) (Film thickness of layer A)

1층당 층 A의 두께(막 두께)는 200nm 이하, 바람직하게는 100nm 이하, 보다 바람직하게는 50nm 이하로 한다. 1층당 층 A의 두께가 200nm 미만 등, 이들 상한을 초과하여 두꺼워 졌을 경우, 적층막으로서의 복합 효과가 없고, 층 B를 구비하지 않고 층 A만을 적층하여 성막하는 경우와 큰 차이가 없어진다. 그 결과, 층 A 단독의 성질이 발현될 뿐이게 되어 층 A의 특성을 층 B가 보완할 수는 없다.The thickness (film thickness) of the layer A per layer is 200 nm or less, preferably 100 nm or less, more preferably 50 nm or less. When the thickness of the layer A per layer becomes thicker than these upper limits, such as less than 200 nm, there is no composite effect as a laminated film, and there is no big difference from the case where only layer A is laminated and formed without a layer B. As a result, the properties of layer A alone are only expressed, and layer B cannot supplement the properties of layer A.

예컨대, 본 제 1 발명에 있어서, 1층당 층 A의 두께가 200nm을 초과한 경우, 결정립 미세화의 효과가 낮고, 경질 피막층 B를 구비하지 않고 경질 피막층 A만을 적층하여 성막하는 경우와 큰 차이가 없어져, 경질 피막층 B를 구비하기 전에 경질 피막층 A의 결정 성장이 일어나 조대한 결정 입자 직경이 되기 쉽다. 따라서, 종래의 결정 성장을 중단하지 않고 성장시킨 경질 피막과 특성은 동등해질 가능성이 있다.For example, in the first invention, when the thickness of the layer A per layer exceeds 200 nm, the effect of grain refinement is low, and there is no great difference from the case where only the hard coat layer A is laminated without the hard coat layer B and formed into a film. Before the hard coating layer B is provided, crystal growth of the hard coating layer A occurs to easily cause coarse crystal grain diameters. Therefore, there is a possibility that the characteristics of the hard film grown without interrupting the conventional crystal growth become equivalent.

한편, 1층당 층 A의 두께는 2nm 이상으로 하는 것이 바람직하다. 층 A의 두께가 2nm 미만에서는 층 A의 적층수를 늘리더라도 경질 적층 피막으로서 층 A의 특성을 확보할 수 없을 가능성이 있다.In addition, it is preferable that the thickness of the layer A per layer shall be 2 nm or more. If the thickness of the layer A is less than 2 nm, even if the number of layers A is increased, there is a possibility that the characteristics of the layer A cannot be secured as a hard laminated film.

(층 B의 막 두께) (Film thickness of layer B)

1층당 층 B의 두께는 0.5nm 이상, 바람직하게는 1nm 이상으로 한다. 층 B의 두께는 층 A의 두께에 따라서도 달라지지만, 0.5nm 미만 등 이들 하한 미만의 두께의 경우, 층 B을 구비하지 않고 층 A만을 적층하여 성막하는 경우와 큰 차이가 없어진다. 그 결과, 층 A 단독의 성질이 발현될 뿐이게 되어 층 A의 특성을 층 B가 보완할 수는 없다.The thickness of the layer B per layer is 0.5 nm or more, preferably 1 nm or more. The thickness of the layer B also varies depending on the thickness of the layer A, but in the case of thicknesses below these lower limits such as less than 0.5 nm, there is no great difference from the case where only the layer A is laminated without a layer B and formed into a film. As a result, the properties of layer A alone are only expressed, and layer B cannot supplement the properties of layer A.

예컨대, 본 제 1 발명의 경우, 경질 피막층 B의 두께를 0.5nm 미만으로 한 경우, 층 B의 두께가 너무 얇아서 층 B의 층 A에 대한 결정립 성장의 중단 효과가 없어질 가능성이 있다. 이 때문에 경질 피막층 A의 결정립이 미세화되지 않을 가능성도 발생한다.For example, in the case of the first invention, when the thickness of the hard coat layer B is less than 0.5 nm, there is a possibility that the thickness of the layer B is so thin that the effect of stopping grain growth on the layer A of the layer B is lost. For this reason, the possibility that the crystal grain of the hard coat layer A will not refine | miniaturize also arises.

한편, 1층당 층 B의 두께의 상한은 층 A 두께의 1/2 이하로 하는 것이 바람직하다. 층 B의 두께가 층 A의 두께의 1/2를 초과한 경우, 층 A의 두께를 얇게 한 경우에 경질 적층 피막전체의 특성이 커서 층 B에 영향을 주어, 층 A의 특성이 발휘되기 어려워질 가능성이 있다.On the other hand, it is preferable that the upper limit of the thickness of the layer B per layer shall be 1/2 or less of the thickness of the layer A. When the thickness of the layer B exceeds 1/2 of the thickness of the layer A, when the thickness of the layer A is thinned, the properties of the entire hard laminated film are large, affecting the layer B, and the characteristics of the layer A are difficult to be exhibited. There is a possibility of quality.

또한, 층 A 및 층 B의 두께는 단면 TEM에 의한 관찰로 배율 50 내지 150만배의 두 시야의 각각으로부터 측정한 값의 평균치로서 구할 수 있다.In addition, the thickness of layer A and layer B can be calculated | required as an average value of the value measured from each of the two visual fields of 50-50 million times magnification by observation by cross-sectional TEM.

(경질 피막층 A와 경질 피막층 B와의 적층 태양)(Lamination Mode of Hard Coating Layer A and Hard Coating Layer B)

본 발명의 경질 적층 피막의 층의 구성으로서는 기본적으로는 층 A와 층 B의 조성을 서로 다른 것으로 하면, 층 A/층 B/층 A/층 B로 된, 층 A와 층 B와의 교대 적층(층 A/층 B)을 하나의 단위로 하여, 이 단위를 복수(다수) 반복한 적층(다층 화)이 바람직하다. 단, 층 A/층 A/층 B/층 B 또는 층 A/층 B/층 B/층 A, 층 B/층 B/층 A/층 A, 층 B/층 A/층 A/층 B, 등을 하나의 단위로 하여, 이들 단위를 각각 조합하여 교대로 적층을 할 수도 있다. 또한, 이들 적층하는 층 A 끼리나 층 B 끼리를, 반드시 동일 조성으로 할 필요는 없다. 즉, 본 발명 범위내에서, 목적에 따라 적층하는 층 A끼리나 층 B끼리의 조성을, 예컨대 층 A1/층 B1/층 A2/층 B2와 같이 서로 달리 할 수도 있다. 예컨대, 본 제 1 내지 3의 발명에 있어서는 제 3의 경질 피막층(C)으로서 층 A와 동일 결정 구조(예컨대, 입방정 암염형 구조)를 갖지만, 다른 성분 조성으로 이루어진 경질 피막층(다른 물질)을 선택하여, 이 경질 피막층 C를 사이에 개재시켜, 예컨대, 층 A/층 B/층 C 또는 층 B/층 A/층 B/층 C 등을 하나의 단위로 하여, 이들 단위를 각각 조합하여 적층을 실시할 수도 있다. 또한, 이들 단위의 적층수는 상기한 목적으로 하는 경질 적층 피막의 두께에 맞추어 20 내지 1000 등 임의의 적층수를 선택할 수 있다.As a constitution of the layer of the hard laminated film of the present invention, when the compositions of the layers A and B are basically different from each other, alternating lamination between layers A and B (layer A / layer B / layer A / layer B) (layer It is preferable to laminate (multilayer) a plurality of (multiple) units of A / layer B) as one unit. However, layer A / layer A / layer B / layer B or layer A / layer B / layer B / layer A, layer B / layer B / layer A / layer A, layer B / layer A / layer A / layer B, Etc. as one unit, these units can be combined, respectively, and can be laminated | stacked alternately. In addition, it is not necessary to make these laminated layers A and B mutually the same composition. That is, within the scope of the present invention, the compositions of the layers A and the layers B to be laminated according to the purpose may be different from each other, such as, for example, the layer A1 / layer B1 / layer A2 / layer B2. For example, in the first to third inventions, a hard coating layer (different material) having the same crystal structure (for example, cubic rock salt structure) as layer A but having a different component composition is selected as the third hard coating layer (C). Then, the hard coating layer C is interposed therebetween, for example, layer A / layer B / layer C or layer B / layer A / layer B / layer C, etc. as one unit, and these units are combined, respectively, and a lamination is carried out. You can also carry out. In addition, the lamination number of these units can select arbitrary lamination numbers, such as 20-1000, according to the thickness of the hard laminated film made into the above objective.

다음으로 본 제 1 내지 4의 발명의 각각의 경질 피막층 A, B의 조성에 대하여 설명한다.Next, the composition of each of the hard coat layers A and B of the first to fourth inventions will be described.

〔본 제 1 발명〕 [This first invention]

(경질 피막층 A의 성분 조성)(Component Composition of Hard Coating Layer A)

본 발명의 경질 피막의 주상인 경질 피막층 A의 성분 조성은 암염 구조형 결정 구조를 취하여, 고경도이면서 내마모성을 갖는 물질을 선택해야 한다. 이 점에서, 암염 구조형 결정 구조를 취하는 경질 피막으로서, 예컨대, 절삭 공구나 내마모 미끄럼 운동 부품용으로 많이 사용되고 있는 TiN, CrN 또는 TiAlN 등의, Ti, Cr, Al, V 중 어느 하나를 포함한 입방정 암염형 구조를 갖는 질화물, 탄질화물, 탄화물 중 어느 하나의 화합물을 적용할 수 있다. 또한, 이들 이외에도 4A, 5A, 6A 및 Al, Si의 1종 이상에서 선택되는 원소와, B, C, N의 1종 이상에서 선택되는 원소와의 화합물이면 적용 가능하다. 이들 화합물은 모두 결정계로서 입방정 암염형 구조를 가지면서, 고경도이고 내마모성이 우수하다. 또한, 경질 피막층 A의 결정 구조가 암염형 구조를 유지하는 범위내에서, 층 A에 산소를 10% 이하(원자비로 0.1 이하)로 미량 첨가함으로써 경질 피막층 A를, 4A, 5A, 6A 및 Al, Si의 1종 이상에서 선택되는 원소의 산 질화물이나 산 탄질화물층 등, 또는 이들 산 질화물이나 산 탄질화물을 포함한 층으로 할 수 있고, 이에 따라 특성을 개선할 수 있는 경우가 있어 이들도 본 발명의 범위에 포함된다.The component composition of the hard coating layer A, which is the columnar of the hard coating of the present invention, should take a rock salt structure crystal structure and select a material having high hardness and wear resistance. In this respect, as a hard film having a rock salt-type crystal structure, for example, a cubic crystal containing any one of Ti, Cr, Al, and V, such as TiN, CrN, or TiAlN, which are widely used for cutting tools and wear-resistant sliding parts. Compounds of any one of nitride, carbonitride and carbide having a rock salt structure can be applied. Moreover, in addition to these, it is applicable as long as it is a compound of 4A, 5A, 6A, and the element chosen from 1 or more types of Al, Si, and the element chosen from 1 or more types of B, C, N. All of these compounds have a cubic rock salt structure as the crystal system, and have high hardness and excellent wear resistance. In addition, within a range in which the crystal structure of the hard coating layer A maintains a rock salt structure, a small amount of oxygen is added to the layer A in an amount of 10% or less (0.1 or less in atomic ratio) to add the hard coating layer A to 4A, 5A, 6A and Al. , An oxynitride or an acid carbonitride layer of an element selected from one or more of Si, or a layer containing these oxynitrides or acid carbonitrides, and the properties may be improved accordingly. It is included in the scope of the invention.

이들 경질 피막층 A에 적용할 수 있는 화합물의 화학식은 1원계에서는 Ti(C1-xNx), Cr(C1-xNx), V(C1-xNx)[여기서, x는 0 내지 1의 값, 이하 동일] 등으로 나타낼 수 있다. 2원계에서는 TiAl(C1-xNx), TiSi(C1-xNx), TiCr(C 1-xNx), TiV(C1-xNx), TiB(C1-xNx), CrAl(C1-xNx), CrSi(C1-xNx), CrV(C1-xNx), CrB(C1-xNx), VAl(C1-xNx), VSi(C1-xNx), VB(C1-xNx) 등으로 나타낼 수 있다. The chemical formulas of compounds applicable to these hard coat layers A are Ti (C 1-x N x ), Cr (C 1-x N x ), V (C 1-x N x ) in the primary system , where x is Value of 0-1, the same below], etc. can be shown. In binary systems, TiAl (C 1-x N x ), TiSi (C 1-x N x ), TiCr (C 1-x N x ), TiV (C 1-x N x ), TiB (C 1-x N x ), CrAl (C 1-x N x ), CrSi (C 1-x N x ), CrV (C 1-x N x ), CrB (C 1-x N x ), VAl (C 1-x N x ), VSi (C 1-x N x ), VB (C 1-x N x ), and the like.

3원계에서는 TiAlSi(C1-xNx), TiAlCr(C1-xNx), TiAlV(C1-x Nx), TiAlB(C1-xNx), TiCrSi(C1-xNx), TiCrV(C1-xNx), TiCrB(C1-xNx ), TiVSi(C1-xNx), TiVB(C1-xNx), CrAlSi(C1-xNx), CrAlV(C1-xNx), CrAlB(C1-xNx), CrSiV(C 1-xNx), CrSiB(C1-xNx), CrVB(C1-xNx), VAlSi(C1-xNx), VAlB(C1-xNx) 등으로 나타낼 수 있다. In ternary systems, TiAlSi (C 1-x N x ), TiAlCr (C 1-x N x ), TiAlV (C 1-x N x ), TiAlB (C 1-x N x ), TiCrSi (C 1-x N x ), TiCrV (C 1-x N x ), TiCrB (C 1-x N x ), TiVSi (C 1-x N x ), TiVB (C 1-x N x ), CrAlSi (C 1-x N x ), CrAlV (C 1-x N x ), CrAlB (C 1-x N x ), CrSiV (C 1-x N x ), CrSiB (C 1-x N x ), CrVB (C 1-x N x ), VAlSi (C 1 -x N x ), VAlB (C 1 -x N x ), or the like.

4원계에서는 TiAlSiCr(C1-xNx), TiAlSiV(C1-xNx), TiAlSiB(C 1-xNx), TiAlCrV(C1-xNx), TiAlCrB(C1-xNx), TiAlVB(C1-xNx), TiCrSiV(C1-xNx), TiCrSiB(C1-xNx), TiCrVB(C1-xNx), CrAlSiV(C1-xNx), CrAlSiB(C1-xNx), CrAlVB(C1-xNx), CrSiVB(C1-xNx), VAlSiB(C1-xN x) 등으로 나타낼 수 있다.TiAlSiCr (C 1-x N x ), TiAlSiV (C 1-x N x ), TiAlSiB (C 1-x N x ), TiAlCrV (C 1-x N x ), TiAlCrB (C 1-x N x ), TiAlVB (C 1-x N x ), TiCrSiV (C 1-x N x ), TiCrSiB (C 1-x N x ), TiCrVB (C 1-x N x ), CrAlSiV (C 1-x N x ), CrAlSiB (C 1-x N x ), CrAlVB (C 1-x N x ), CrSiVB (C 1-x N x ), VAlSiB (C 1-x N x ), and the like.

또한, 이들 화합물 중에서도 Ti, Cr 또는 Al 중 어느 하나를 포함하는 화합물이 보다 고경도이다. 이 화합물로서, TiN, TiCN, TiAlN, CrN, TiCrAlN, CrAlN 등의 화합물이 예시된다. 특히 Al을 함유하는 화합물은 내산화성이 우수하고, 이 내산화성이 특히 요구되는 절삭 공구 용도용으로 바람직하다. 또한, 기계 부품 용도용으로는 Cr을 함유하는 화합물(예컨대 CrN, TiCrN, CrCN)이 적합하다.Moreover, among these compounds, the compound containing any one of Ti, Cr, or Al is higher hardness. As this compound, compounds, such as TiN, TiCN, TiAlN, CrN, TiCrAlN, CrAlN, are illustrated. In particular, the compound containing Al is excellent in oxidation resistance, and is suitable for cutting tool applications in which this oxidation resistance is particularly required. Moreover, compounds containing Cr (for example, CrN, TiCrN, CrCN) are suitable for mechanical parts use.

일반적으로도, 암염 구조형의 결정 구조의 경질 피막은 θ-2θ법에 의한 X선 회절로 측정, 해석할 수 있다. 암염 구조형의 경질 피막은 이 X선 회절에 있어서의 (111)면, (200)면, (220)면의 피크 강도가 각각 높다. 예컨대, (TiAl)(CN) 등의 경질 피막은 암염 구조형의 결정 구조를 가지며, 암염 구조형의 TiN의 Ti의 사이트에 Al이 치환되어 들어 간 암염 구조형의 복합 질화물을 구성한다. 이 경우, 암염 구조형의 AlN(격자정수 4.12Å)은 고온 고압상이며, 고경도 물질이기 때문에 암염 구조를 유지하면서 (TiAl)(CN) 중의 Al의 비율을 높이면, (TiAl)(CN)막의 경도를 더욱 높일 수 있다.Generally, the hard film of the crystal structure of rock salt structure type can be measured and analyzed by X-ray diffraction by the (theta) -2 (theta) method. The hard coating of the rock salt structure type has high peak intensity on the (111) plane, the (200) plane, and the (220) plane in this X-ray diffraction, respectively. For example, a hard film such as (TiAl) (CN) has a rock salt structure crystal structure, and Al is substituted at the Ti site of TiN of the rock salt structure to form a complex nitride of the rock salt structure. In this case, since the AlN (lattice constant 4.12 kPa) of the rock salt structure is a high temperature and high pressure phase and is a high hardness material, when the ratio of Al in (TiAl) (CN) is increased while maintaining the rock salt structure, the hardness of the (TiAl) (CN) film is increased. Can be further increased.

(경질 피막층 B의 성분 조성) (Component Composition of Hard Coating Layer B)

경질 피막층 B은 상기 경질 피막층 B가 각각 입방정 암염형 구조를 갖지 않는 결정 구조의, (1) 4A, 5A, 6A 및 Al의 1종 이상에서 선택되는 원소와, B, C, N의 1종 이상에서 선택되는 원소와의 화합물(육방정 등) 중에서 선택되거나, (2) B, Si, Cu, Co, Ni, C의 1종 이상에서 선택되는 원소의 질화물, 탄질화물, 탄화물 중에서 선택되거나, 혹은 (3) 금속 Cu, 금속 Co, 금속 Ni 중에서 선택되는 것이 바람직하다. 이 중에서도 상기 (2) 그룹이 특히 바람직하다.The hard coat layer B is an element selected from at least one of 4A, 5A, 6A, and Al, and at least one of B, C, and N, of the crystal structure in which the hard coat layer B does not have a cubic rock salt structure, respectively. Selected from compounds (hexagonal crystals, etc.) with an element selected from (2) selected from nitrides, carbonitrides, carbides of elements selected from one or more of B, Si, Cu, Co, Ni, and C, or (3) It is preferable to select from metal Cu, metal Co, and metal Ni. Among these, the said (2) group is especially preferable.

경질 피막층 B으로서는 기본적으로는 암염형 입방정 구조를 갖지 않는 결정 구조의 물질이면, 상기한 결정립 미세화 효과는 발현할 수 있다. 그러나, 본 발명의 경질 피막이, 절삭 공구 등의 고온화에서 사용되는 경우나, 미끄럼 운동 부품으로서의 요구 특성을 고려하면, 내열성이나 내마모성을 갖는, 상기 각 그룹의 물질이 바람직하다. 그 중, 상기 (2) 그룹 중에서도 더욱 B 또는 Si를 함유하는 화합물인 BN, BCN, SiN, SiC, SiCN, B-C 또는 Cu, CuN, CuCN, 또는 금속 Cu가 적합하다.As the hard coat layer B, the above-mentioned grain refinement effect can be expressed as long as it is a substance having a crystal structure which does not basically have a rock salt cubic structure. However, in the case where the hard coating of the present invention is used in high temperature of a cutting tool or the like or in consideration of the required characteristics as a sliding part, the material of each of the above groups having heat resistance and wear resistance is preferable. Among them, BN, BCN, SiN, SiC, SiCN, B-C or Cu, CuN, CuCN, or metal Cu, which is a compound containing B or Si, is suitable among the above (2) groups.

〔본 제 2 발명〕[This second invention]

본 발명자들은 다음 화학식 8을 만족시키는 화학 조성으로 이루어진 층 A와 다음 화학식 9를 만족시키는 화학 조성으로 이루어진 층 B를, 상술한 적층 구성 요건을 만족시키도록 형성함으로써 내마모성 및 윤활성이 우수한 경질 피막을 얻을 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성시켰다.The inventors of the present invention obtain a hard film having excellent wear resistance and lubricity by forming a layer A having a chemical composition satisfying the following formula (8) and a layer B having a chemical composition satisfying the following formula (9) to satisfy the above-described lamination configuration requirements. It was found that the present invention was completed.

층 A: Cr(BaCbN1-a-b-cOc)e Layer A: Cr (B a C b N 1-abc O c ) e

0≤ a≤ 0.15, 0≤ b≤ 0.3, 0≤ c≤ 0.1, 0.2≤ e≤ 1.10≤ a≤ 0.15, 0≤ b≤ 0.3, 0≤ c≤ 0.1, 0.2≤ e≤ 1.1

층 B: B1-s-tCsNt Layer B: B 1-st C s N t

0≤ s≤ 0.25, (1-s-t)/t≤ 1.50≤ s≤ 0.25, (1-s-t) / t≤ 1.5

이하에, 상기한 바와 같이 층 A 및 층 B의 조성 및 두께를 규정한 이유를 구체적으로 설명한다.Below, the reason which prescribed | regulated the composition and thickness of layer A and layer B as mentioned above is demonstrated concretely.

[층 A의 조성] [Composition of Layer A]

우선, 층 A를 Cr(B, C, N, O)막으로 하고, B, C, N, O의 비율을 상기 화학식 1에 나타낸 바와 같은 비율로 정한 것은 다음 이유에 의한다. 즉, 층 A는 피막에 내마모성을 유지시키기 위해, 경도가 높은 질화 크롬(CrN, Cr2N)을 주성분으로 하는 조성으로 한다. 그리고, 질화 크롬에 C, B, O를 첨가함으로써 더욱 경도가 상승하고 내마모성이 향상되지만, 이들 원소의 과도한 첨가는 오히려 경도 저하를 초래하기 때문에, a(즉 B)의 상한치는 0.15, 바람직하게는 0.1로 하고, b(즉 C)의 상한치는 0.3, 바람직하게는 0.2로 하고, c(즉 O)의 상한치는 0.1, 바람직하게는 0.07 이하로 한다. First, the layer A is made of a Cr (B, C, N, O) film, and the ratio of B, C, N, O is set to the ratio shown in the above formula (1) for the following reason. That is, the layer A is a composition whose main component is to maintain the abrasion resistance to the film, the high hardness of chromium nitride (CrN, Cr 2 N). And, by adding C, B, and O to chromium nitride, the hardness is further increased and wear resistance is improved, but since excessive addition of these elements leads to a decrease in hardness, the upper limit of a (i.e., B) is 0.15, preferably The upper limit of b (ie, C) is 0.3, preferably 0.2, and the upper limit of c (ie, O) is 0.1, preferably 0.07 or less.

또한, Cr에 대한 B, C, N, O의 합계의 비율 e는 0.2 내지 1.1의 범위로 하는 것이 바람직하고, 이 범위는 층 A를 구성하는 결정의 구조가 Cr2N 구조 또는 CrN 구조로 되는 조성의 범위에 상당한다. 또한, 층 A의 결정 구조는 후술하는 바와 같 이 단면 TEM 및 전자선 회절에 의해 확인할 수 있다.Further, the ratio e of the total of B, C, N, O of the Cr is preferably in a range of 0.2 to 1.1, and this range is the structure of the crystals constituting the layer A is a Cr 2 N structure, or CrN structure It corresponds to the range of composition. In addition, the crystal structure of layer A can be confirmed by cross-sectional TEM and electron beam diffraction as mentioned later.

[층 B의 조성] [Composition of Layer B]

다음으로 층 B는 피막에 윤활성을 부여하기 때문에 고체 윤활재로서 기능하는 BN 화합물로 한다. 여기서, BN 화합물을 형성하기 위해서는 B와 N의 비율(1-s-t)/t는 1.5 이하로 할 필요가 있고, 1.2 이하로 하는 것이 바람직하다. 그리고, 이 BN 화합물 중에 C를 첨가함으로써 층 B에 윤활성을 부여하면서 고경도화를 도모할 수 있지만, 과도한 첨가는 오히려 경도가 저하되면서 윤활성이 상실되기 때문에 s의 상한은 0.25로 한다. 바람직하게는 B에 대한 C의 비율 s/(1-s-t)가 0.25 이하이며, 보다 바람직하게는 0.1 이하이다.Next, since layer B provides lubricity to a film, it is set as the BN compound which functions as a solid lubricant. Here, in order to form a BN compound, the ratio (1-s-t) / t of B and N needs to be 1.5 or less, and preferably 1.2 or less. In addition, by adding C to the BN compound, it is possible to achieve high hardness while giving lubricity to the layer B. However, the excessive addition causes the upper limit of s to be 0.25 because the lubricity is lost while the hardness decreases. Preferably the ratio s / (1-s-t) of C to B is 0.25 or less, more preferably 0.1 or less.

[층 A 조성의 변형예][Modification of Layer A Composition]

상기한 바와 같이, 층 A는 고경도이며 내마모성을 발현하는 역할을 담당하는 층으로, 층 B를 삽입함에 따른 결정립의 미세화에 의해 한층 더 특성의 향상을 도모하는 것이지만, 층 A의 Cr의 일부를 다른 원소로 치환함으로써 층 A의 경도가 더욱 상승하여 한층 더 내마모성의 향상이 가능하다.As described above, the layer A is a layer having high hardness and abrasion resistance, and further improves characteristics by miniaturization of grains by inserting the layer B. Substituting with another element raises the hardness of layer A further, and can further improve abrasion resistance.

상기 다른 원소로서 추장되는 것은 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Al 및 Si로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 원소이다. 그 중에서도 1종의 원소로서는 Al, Si, W, Ti가 바람직하고, 2종의 원소로서는 Al과 Si, Al과 Ti, W와 Si, Ti와 Si의 각 조합이 바람직하다.Recommended as the other element is one or two or more elements selected from the group consisting of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Al and Si. Among them, Al, Si, W, and Ti are preferable as one element, and each combination of Al and Si, Al and Ti, W, Si, Ti, and Si is preferable as two elements.

상기 다른 원소로의 치환 비율(α)은 너무 크면 원래의 Cr의 비율이 적어져 오히려 경도 상승 효과가 상실되기 때문에 0.9 이하로 한다. 치환 비율(α)은 그 하한은 특별히 한정되지 않지만, 상기 다른 원소로의 치환에 의해 일정 효과를 얻기 위해서는 0.05 이상으로 하는 것이 바람직하다. 치환 비율(α)의 보다 바람직한 범위는 치환하는 원소의 종류나 조합에 따라서도 다르지만, 대체로 0.4 내지 0.8이 표준이 된다.If the substitution ratio α to the other element is too large, the ratio of the original Cr decreases and the hardness synergistic effect is lost. Although the lower limit is not specifically limited in substitution ratio (alpha), In order to acquire a fixed effect by substitution with the said other element, it is preferable to set it as 0.05 or more. Although the more preferable range of substitution ratio (alpha) changes also with kinds and combination of elements to substitute, generally 0.4-0.8 are standard.

또한, Ti와 Al의 두 원소를 조합시켜 Cr과 치환하는 경우, Al을 증가시키면 피막의 내산화성이 향상되기 때문에, Al의 비율이 Ti의 비율보다 많은 쪽이 바람직하지만, Al의 비율이 너무 많으면 피막이 비정질이 되기 쉽기 때문에 Cr, Ti, Al의 합계량에 대한 Al의 비율은 0.8 이하로 하는 것이 바람직하다.In addition, in the case of replacing Cr with two elements of Ti and Al, if the Al is increased, the oxidation resistance of the film is improved. Therefore, the ratio of Al is preferably higher than the ratio of Ti. Since the film is likely to become amorphous, the ratio of Al to the total amount of Cr, Ti, and Al is preferably 0.8 or less.

또한, 치환 원소에 Si가 포함되는 경우에는 Si의 비율이 너무 많으면 층 A가 비정질이 되기 쉽기 때문에, Cr과 치환 원소의 합계량에 대한 Si의 비율은 0.5 이하로 하는 것이 바람직하다.In addition, when Si is contained in a substitution element, when there is too much ratio of Si, layer A will become amorphous, It is preferable to make the ratio of Si with respect to the total amount of Cr and a substitution element 0.5 or less.

[층 B 조성의 변형예][Modification of Layer B Composition]

층 B로서 BCN계 피막 외에 SiCN계 또는 CN계 피막을 사용하더라도 내마모성이 우수한 피막을 얻을 수 있다.Even if a SiCN-based or CN-based coating is used in addition to the BCN coating as the layer B, a coating having excellent abrasion resistance can be obtained.

SiCN계 피막을 층 B에 사용한 경우, 일반적으로 BCN계 피막과 같은 저마찰 계수는 얻을 수 없고 상대재에 대한 공격성은 저감시킬 수 없지만, BCN계 피막보다 고경도이기 때문에, 피막 자신의 내마모성이 향상되어, 상대재에 대한 공격성을 고려하지 않아도 되는 절삭 공구 등에 적합한 피막이 된다. 또한, 내산화성도 우수하게 된다. 또한, C를 과도하게 첨가하면 오히려 경도가 저하되기 때문에, C의 첨가 비율의 상한은 0.6으로 한다.When the SiCN-based coating is used for the layer B, in general, the low friction coefficient similar to that of the BCN-based coating cannot be obtained and the aggression to the counterpart cannot be reduced, but since the hardness is higher than that of the BCN-based coating, the wear resistance of the coating itself is improved. This becomes a film suitable for a cutting tool or the like that does not need to consider the aggressiveness to the counterpart. In addition, the oxidation resistance is also excellent. In addition, when C is excessively added, the hardness decreases, so the upper limit of the addition ratio of C is 0.6.

또한 CN계 피막은 고온에서 불안정하기 때문에 일반적으로 고온 미끄럼 운동 환경에서는 사용할 수 없지만, 표준으로서 400℃ 이하의 미끄럼 운동 환경이면 BCN계 피막과 동일 정도의 미끄럼 운동 특성을 나타내기 때문에 사용 가능하다. N의 첨가 비율의 표준은 0.6 이하, 바람직하게는 0.4 이하이다.In addition, since the CN-based coating is unstable at a high temperature, it cannot generally be used in a high-temperature sliding motion environment, but as a standard, a sliding motion environment of 400 ° C. or lower can exhibit a sliding motion characteristic equivalent to that of a BCN-based film. The standard of the addition ratio of N is 0.6 or less, Preferably it is 0.4 or less.

[층 A의 결정립의 미세화의 정도] [Degree of Refinement of Grain of Layer A]

층 A는 상기한 바와 같이 Cr과 B, C, N, O의 합계량의 비율에 따라 육방정의 Cr2N형 구조 또는 육방정 암염형의 CrN형 구조를 취할 수 있지만, 내마모성은 CrN형 구조쪽이 우수하기 때문에, 층 A의 결정 구조의 바람직한 형태로서는 암염 입방정 구조로 한다.The layer A may have a hexagonal Cr 2 N-type structure or a hexagonal rock salt-type CrN-type structure according to the ratio of the total amount of Cr and B, C, N, and O as described above, but the wear resistance is higher for the CrN-type structure. Since it is excellent, it is set as rock salt cubic crystal structure as a preferable form of the crystal structure of layer A.

또한, 본 발명은 층 A와 층 B를, 상기에 나타낸 막 두께 및 막 두께의 비율로 적층함으로써, 층 A의 결정립의 성장이 층 B에서 중단되고, 그 결과로서 결정립의 미세화가 발생하는 것을 요지로 하고 있다.Further, the present invention is directed to laminating the layers A and B at the ratio of the film thickness and the film thickness shown above, whereby the growth of the grains of the layer A is stopped in the layer B, and as a result, the refinement of the grains occurs. I am doing it.

여기서, 결정립의 미세화의 정도는 X선 회절 패턴으로 관찰되는 층 A의 암염 입방정 구조의 (111)면 및 (200)면으로부터의 회절선의 반치폭(FWHM: Full Width Half Maximum)을 지표로 하여 평가할 수 있다. 일반적으로 회절선의 반치폭은 측정 대상이 되는 재료의 결정 입경과 일정한 관계를 가지고 있고, 결정 입경의 감소에 따라 반치폭은 증가된다. 단, 회절선의 반치폭은 기타 요인, 예컨대 피막에 발생하는 불균일 응력에 의해서도 달라지며, 반치폭과 결정 입경과의 관계는 반드시 선형 비례하는 것은 아님이 알려져 있다.Here, the degree of refinement of the crystal grains can be evaluated using the full width half maximum (FWHM) of the diffraction lines from the (111) plane and the (200) plane of the rock salt cubic structure of the layer A observed by the X-ray diffraction pattern as an index. have. In general, the half width of the diffraction line has a constant relationship with the crystal grain size of the material to be measured, and the half width of the diffraction line increases as the crystal grain diameter decreases. However, it is known that the half width of the diffraction line also depends on other factors such as nonuniform stress generated in the film, and the relationship between the half width and the crystal grain size is not necessarily linearly proportional.

이들을 근거로 한 뒤에, 본 발명자들은 상기 회절선의 반치폭과 피막 경도 또는 내마모성과의 관계를 조사한 결과, (111) 및 (200)면으로부터의 회절선의 반치폭 중 한쪽 이상이 0.3° 이상이 되었을 때에 피막의 특성이 더욱 개선됨을 발견하였다. 보다 바람직한 상기 반치폭의 하한치는 0.4°이다. 상기 반치폭의 상한치는 특별히 한정되지 않지만, 실질적으로는 1°정도이다.Based on these, the present inventors examined the relationship between the half width of the diffraction line and the film hardness or wear resistance. It was found that the properties were further improved. More preferably, the lower limit of the half width is 0.4 degrees. The upper limit of the half width is not particularly limited, but is substantially about 1 °.

본 발명에서는 회절선의 반치폭은 CuKα선(40 kV·40 mA)을 이용한 θ-2θ법에 의한 X선 회절로 평가하였다. 또한, 그 밖의 X선 광학계의 조건으로서는 발산, 산란 슬릿은 1°, 수광 슬릿은 0.15mm, 흑연 단색 광분광계(Monochrometer)를 이용하여 카운터전의 수광 슬릿은 0.8°, 주사 속도 2°/분(연속 스캔), 스텝 폭 0.02°로 하였다.In the present invention, the half width of the diffraction line was evaluated by X-ray diffraction by the θ-2θ method using CuKα rays (40 kV · 40 mA). As other X-ray optical system conditions, divergence, scattering slits were 1 °, light receiving slits were 0.15 mm, and the light receiving slits before the counter were 0.8 ° and scanning speed was 2 ° / min (continuous using a graphite monochromator). Scan) and step width 0.02 degrees.

〔본 제 3 발명〕[This third invention]

(층 A의 성분 조성) (Component Composition of Layer A)

본 발명의 경질 적층 피막의 주상인 층 A의 성분 조성은 특히 절삭 공구 등의 미끄럼 운동 부분이 고온이 되는 용도에 대하여 높은 산화성을 갖는 것이 필요하다. 또한, 층 A에는 경질 피막에 요구되는 고경도, 내마모성 등의 기본 특성을 갖는 것이 필요하다.The component composition of the layer A, which is the columnar of the hard laminated film of the present invention, needs to have a high oxidative property, particularly for applications in which sliding parts such as cutting tools become hot. In addition, the layer A needs to have basic characteristics such as high hardness and wear resistance required for the hard coating.

이 때문에, 층 A의 성분 조성으로서는 다음 화학식 1의 조성으로 이루어진 것이 바람직하다.For this reason, as a component composition of layer A, what consists of the following formula (1) is preferable.

화학식 1Formula 1

(Ti1-x-yAlxMy)(BaCbN1-a-b-cOc )(Ti 1-xy Al x M y ) (B a C b N 1-abc O c )

[상기에서, x, y, a, b, c는 각각 원자비를 나타내고, 0.4≤ x≤ 0.8, 0≤ y≤ 0.6, 0≤ a≤ 0.15, 0≤ b≤ 0.3, 0≤ c≤ 0.1, M은 4A, 5A, 6A, Si의 1종 이상에서 선택된 금속 원소][In the above, x, y, a, b, c each represent an atomic ratio, 0.4 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ y ≦ 0.6, 0 ≦ a ≦ 0.15, 0 ≦ b ≦ 0.3, 0 ≦ c ≦ 0.1, M is a metal element selected from at least one of 4A, 5A, 6A and Si]

이 층 A의 화학식 1로 표시되는 조성 중에서도 특히 (Ti1-x-yAlxMy) (B aCbN1-a-b-cOc) [여기서, x, y, a, b, c는 각각 원자비를 나타내고, 0.5≤ x≤ 0.8, 0.05≤ y≤ 0.6, 0≤ a≤ 0.15, 0≤ b≤ 0.3, 0≤ c≤ 0.1, M은 Cr, V, Si의 1종 이상에서 선택되는 금속 원소]의 조성으로 이루어진 것이 바람직하다.Among the compositions represented by the formula (1) of the layer A, in particular, (Ti 1-xy Al x M y ) (B a C b N 1-abc O c ) [where x, y, a, b, and c are the atomic ratios, respectively. Represents a value of 0.5 ≦ x ≦ 0.8, 0.05 ≦ y ≦ 0.6, 0 ≦ a ≦ 0.15, 0 ≦ b ≦ 0.3, 0 ≦ c ≦ 0.1, and M is a metal element selected from one or more of Cr, V, and Si. It is preferable that the composition is made of.

또한, 상기 화학식 1에 있어서, (TiAlM)과 (BCNO)와의 원자비, 바꿔 말하면 금속 원소 그룹과 비금속 원소 그룹과의 두 괄호끼리의 원자비는 보통은 1:1이지만, 반드시 1:1의 경우에만 한정되는 것은 아니다. 하기와 같이 예시하는, 실제로 성막되는 Ti계 화합물에서는 성막 조건의 차이 등에도 따라 (TiAlM)과 (BCNO)와의 원자비는 당연히 1:1의 경우에만 한정되지 않고, 예컨대, 0.8∼1.2: 0.8∼1.2 등의 편향폭을 가지고 있다. 따라서, 상기 화학식 1에 있어서, (TiAlM)과 (BCNO)와의 원자비, 금속 원소 그룹과 비금속 원소 그룹과의 원자비는 이들의 실제로 성막되는 Ti계 화합물의 원자비의 편향폭을 당연히 허용하는 것이다.In the above formula (1), the atomic ratio between (TiAlM) and (BCNO), in other words, the atomic ratio between the two parentheses between the metal element group and the nonmetal element group is usually 1: 1, but is necessarily 1: 1. It is not limited only to. In the Ti-based compound actually formed as described below, the atomic ratio between (TiAlM) and (BCNO) is naturally not limited to 1: 1 only, depending on the difference in film forming conditions and the like, for example, 0.8 to 1.2: 0.8 to It has a deflection width of 1.2. Therefore, in the above formula (1), the atomic ratio between (TiAlM) and (BCNO) and the atomic ratio between the metallic element group and the nonmetallic element group naturally allow the deflection width of the atomic ratio of the Ti-based compound to be actually formed. .

(Ti계 성분)(Ti-based component)

이 층 A의 성분 조성 중, 우선 Ti의 질화물, 탄질화물, 붕질화물, 탄붕질화물은 TiAlN, TiAlCrN, TAlVN, TiAlNbN, TiAlBN, TiAlCrCN, 등의 Ti계 화합물로 대 표되는 바와 같이, 경질 피막으로서 고경도, 고내마모성 등의 특성을 가지고 있어, 본 발명의 층 A 부분의 베이스가 되는 성분으로서 최적이다.In the component composition of this layer A, first, nitrides, carbonitrides, borides, and carbonitrides of Ti are hardened as hard films, as represented by Ti-based compounds such as TiAlN, TiAlCrN, TAlVN, TiAlNbN, TiAlBN, TiAlCrCN, and the like. Moreover, it has characteristics, such as high abrasion resistance, and is optimal as a component used as a base of the layer A part of this invention.

(Al)(Al)

이 Ti계 성분에 대하여 상기 성분 조성식과 같이 Al을 포함함으로써, 층 A의 경도와 내산화성이 향상된다. 이 효과는 Al을 원자비 x로 0.4 내지 0.8의 범위(상기 0.4≤ x≤ 0.8의 범위), 바람직하게는 0.5 내지 0.8의 범위(0.5≤ x≤ 0.8의 범위)로 포함할 때에 특히 크게 발휘된다. 한편, Al을 포함하더라도 이 성분 범위로부터 벗어나는 경우에는 경도와 내산화성의 향상 효과가 없거나 적어 Al을 포함하는 의미가 없다.By containing Al with respect to this Ti type component like the said component composition formula, the hardness and oxidation resistance of layer A improve. This effect is particularly exhibited when Al is included in the atomic ratio x in the range of 0.4 to 0.8 (the range of 0.4 ≦ x ≦ 0.8), preferably in the range of 0.5 to 0.8 (the range of 0.5 ≦ x ≦ 0.8). . On the other hand, even if it contains Al, if it deviates from this component range, there is no or little improvement effect of hardness and oxidation resistance, so there is no meaning of including Al.

(금속 원소 M) (Metal element M)

상기 성분 조성식과 같이, 추가로 M으로 표시되는 4A, 5A, 6A, Si 중 어느 1종 이상에서 선택되는 금속 원소를 선택적으로 함유하는 경우에는 더욱 층 A의 경도, 내산화성이 개선된다. 이 효과는 금속 원소 M을 원자비 y로 0.6 이하(상기 0≤ y≤ 0.6의 범위)로 포함할 때에 특히 크게 발휘된다. 그 이유는 M을 원자비로 0.6을 초과하여 함유하는 경우, 베이스가 되는 Ti, Al의 합계 함유량이 원자비로 0.4 미만이 되어, 층 A의 경도, 내산화성 모두 오히려 저하되기 때문이다.As in the above component composition formula, when the metal element selected from any one or more of 4A, 5A, 6A, and Si represented by M is selectively contained, the hardness and the oxidation resistance of the layer A are further improved. This effect is particularly exhibited when the metal element M is contained in an atomic ratio y of 0.6 or less (in the range of 0 ≦ y ≦ 0.6). This is because when M is contained in an atomic ratio exceeding 0.6, the total content of Ti and Al serving as a base is less than 0.4 in atomic ratio, and both the hardness and the oxidation resistance of the layer A are rather lowered.

또한, 상기 효과를 발휘하는 금속 원소 M으로서 바람직한 것은 Cr, V, Si의 1종 이상에서 선택되는 조합으로, 이들 금속 원소의 상기 효과를 발휘하는 바람직한 함유 범위는 원자비 y로 0.05 내지 0.6의 범위(상기 0.05≤ y≤ 0.6), 보다 바람직하게는 0.1 내지 0.3의 범위(0.1≤ y≤ 0.3)이다.The metal element M exhibiting the above effects is preferably a combination selected from one or more of Cr, V, and Si, and the preferred content ranges exhibiting the above effects of these metal elements range from 0.05 to 0.6 in atomic ratio y. (0.05 ≤ y ≤ 0.6), more preferably in the range of 0.1 to 0.3 (0.1 ≤ y ≤ 0.3).

(비금속 원소) (Nonmetallic element)

상기 층 A의 성분 조성식의 B, C, N에서 선택되는 비금속 원소 중 질소(N는 질화물, 탄질화물, 붕질화물, 탄붕질화물을 형성하기 위해 필수적이다. 이 질소의 함유량은 다른 선택적으로 함유되는 B, C의 함유량(상기 성분 조성식 중의 a나 b의 값)이나, 또는 O의 함유량(상기 성분 조성식 중의 c의 값)에 따라 상기 층 A의 성분 조성식과 같이 N1-a-b-c로 규정된다.Nitrogen (N is essential to form nitrides, carbonitrides, borosilicates, and carbonitrides of the nonmetallic elements selected from B, C, and N in the compositional formula of the layer A. The content of nitrogen is contained in other selectively contained B The content of C (the value of a or b in the component composition formula) or the content of O (the value of c in the component composition formula) is defined as N 1 -abc as in the component composition formula of the layer A.

붕소(B)는 붕질화물, 탄붕질화물을 형성하기 위해 선택적으로 함유된다. 다만 함유하는 경우라도 과도하게 첨가하면 연질인 B 화합물이 석출되어 층 A의 경도, 내산화성 모두 저하시킨다. 이 때문에, 원자비 a로 상한을 0.15(상기 0≤ a≤ 0.15), 바람직하게는 상한을 0.1 이하(0≤ a≤ 0.1)로 한다.Boron (B) is optionally contained to form borosilicates and carbonitrides. However, even if it contains too much, the soft B compound precipitates and both the hardness and the oxidation resistance of the layer A are reduced. For this reason, the upper limit is 0.15 (the above 0 <a≤0.15) by the atomic ratio a, Preferably the upper limit is 0.1 or less (0 <a <0.1).

탄소(C)는 탄화물, 탄질화물을 형성하기 위해 선택적으로 함유된다. 다만 함유하는 경우라도 과도하게 첨가하면 층 A의 연질화로 이어져, 층 A의 경도, 내산화성 모두 저하시킨다. 이 때문에, 원자비 b로 상한을 0.3(상기 0≤ b≤ 0.3), 바람직하게는 상한을 0.2 이하(0≤ b≤ 0.2)로 한다.Carbon (C) is optionally contained to form carbides and carbonitrides. However, excessive addition also leads to softening of the layer A, thereby lowering both the hardness and the oxidation resistance of the layer A. For this reason, an upper limit is made 0.3 (the said 0 <= b <= 0.3) by the atomic ratio b, Preferably, an upper limit is made 0.2 or less (0 <b <0.2).

또한, 산소(O)에 대해서는 미량의 함유에 의해 층 A의 경도 증가를 도모할 수 있는 경우도 있지만, 원자비(c)로 0.1을 초과하여 함유하면, 피막중에 차지하는 산화물의 비율이 많아져, 피막의 인성이 손상된다. 이 점에서 상한을 0.1 이하(상기 0≤c≤ 0.1)로 한다.In addition, about the oxygen (O), although the hardness of the layer A can be increased by containing a trace amount, when it contains more than 0.1 by atomic ratio (c), the ratio of the oxide to a film will increase, The toughness of the film is impaired. The upper limit is made 0.1 or less (0 <c <0.1) at this point.

(층 B의 성분 조성)(Component Composition of Layer B)

층 B는 층 A가 갖지 않는 특성을 부여하거나, 또는 층 A의 특성을 보다 개선시키는 역할을 기본적으로 가지고 있다. 이 때문에, 본 발명에서는 층 A와 교대로 적층할 때에 다음 화학식 2 내지 5의 4개의 조성식으로 표시되는 각 화합물 중에서 각 조성의 각 특성 내지 목적별로 선택한다.Layer B basically has a role of imparting properties that layer A does not have, or further improving the properties of layer A. For this reason, in this invention, when laminating | stacking alternately with layer A, it selects by each characteristic of a composition, an objective, from each compound represented by four composition formulas of following General formulas 2-5.

화학식 2Formula 2

B1-x-yCxNy[여기서, x, y는 각각 원자비를 나타내고, 0≤ x≤ 0.25, B/N≤ 1.5]B 1-xy C x N y where x and y each represent an atomic ratio, 0 ≦ x ≦ 0.25, B / N ≦ 1.5]

화학식 3Formula 3

Si1-x-yCxNy[여기서, x, y는 각각 원자비를 나타내고, 0≤ x≤ 0.25, 0.5≤ Si/N≤ 2.0]Si 1-xy C x N y , wherein x and y each represent an atomic ratio, and 0 ≦ x ≦ 0.25, 0.5 ≦ Si / N ≦ 2.0]

화학식 4Formula 4

C1-xNx[여기서, x는 원자비를 나타내고, 0≤ x≤ 0.6]C 1-x N x where x represents an atomic ratio and 0 ≦ x ≦ 0.6]

화학식 5Formula 5

Cu1-y(CxN1-x)y[여기서, x, y는 각각 원자비를 나타내고, 0≤ x≤ 0.1, 0≤ y≤ 0.5] Cu 1-y (C x N 1-x ) y [where x and y each represent an atomic ratio, 0 ≦ x ≦ 0.1 and 0 ≦ y ≦ 0.5]

상기 4개의 식으로 조성이 표시되는 각 화합물은 상기한 층 A의 화합물과 다른 결정 구조를 가지고 있고, 이들 화합물을 층 A와 적층함으로써 층 A의 결정립의 성장 분단 효과를 초래하여, 결정립의 미세화를 도모할 수 있게 된다. 그 결과, 경질 적층 피막의 경도를 현저히 증가시킬 수 있다.Each compound represented by the above four formulas has a crystal structure different from that of the above-mentioned compound of layer A, and by laminating these compounds with layer A, the grain splitting effect of the grains of layer A is brought about, resulting in miniaturization of grains. It becomes possible to plan. As a result, the hardness of the hard laminated film can be significantly increased.

상기 4개의 식으로 표시되는 조성의 각 화합물 중, 화학식 2의 B의 질화물 또는 탄질화물계 화합물과, 화학식 4의 탄소 또는 질화 탄소계 화합물은 모두 층 A 와 적층한 경우, 층 A에는 없는 윤활성을 부여할 수 있다. 그 중, 화학식 2의 B계 화합물은 고온에서 안정하며, 상온 내지 고온하에서의 윤활 특성이 우수하다. 또한, 화학식 4의 C계 화합물은 저온에서의 윤활 특성에 관해서는 화학식 2의 B계 화합물보다 우수하다. 이들 화학식 2의 B계 화합물과 화학식 4의 C계 화합물의 상기 식(조성 범위)은 모두 윤활성을 확보함에 있어서 필요한 조성 범위이다.Of the compounds represented by the above four formulas, in the case where both the nitride or carbonitride-based compound of formula (B) of formula (2) and the carbon or carbon nitride compound of formula (4) are laminated with layer A, lubricity is not present in layer A. You can give it. Among them, the B-based compound of formula (2) is stable at high temperatures, and excellent in lubricating properties at room temperature to high temperatures. In addition, the C-based compound of Formula 4 is superior to the B-based compound of Formula 2 in terms of lubricating properties at low temperatures. The above formula (composition range) of the B-based compound of Formula (2) and C-based compound of Formula (4) is a composition range necessary for ensuring lubricity.

B계 화합물의 상기 화학식 2 중에서, 이 윤활성을 확보함에 있어서, C량의 원자비 x는 0.25 이하(상기 0≤ x≤ 0.25), 바람직하게는 0.2 이하이다. 또한, 화학식 2 중의 B/N이 1.5를 초과하는 B풍부 화합물의 경우, 윤활 특성을 가지지 않게 된다. 따라서, B/N의, B와 N과의 비의 상한은 1.5 이하(상기 B/N≤ 1.5), 보다 바람직하게는 1.2 이하(B/N≤ 1.2)이다. 또한, 화학식 2 중에서, 질소량의 원자비 y는 C량과의 중첩으로, 상기 B와 N과의 비로부터 결정되기 때문에, y 단독으로 범위를 정할 수 없다. 즉, C량이 결정되면, B/N으로부터 B와 N과의 개개의 량은 y를 포함해서 결정되기 때문에, B/N의 범위만 결정해 두면, y 단독으로 범위를 정할 필요는 없다.In the above formula (2) of the B-based compound, in securing this lubricity, the atomic ratio x of the amount of C is 0.25 or less (the above 0 ≦ x ≦ 0.25), preferably 0.2 or less. In addition, in the case of the B rich compound in which B / N in the general formula (2) exceeds 1.5, it does not have a lubricating property. Therefore, the upper limit of the ratio of B / N of B / N is 1.5 or less (The said B / N <= 1.5), More preferably, it is 1.2 or less (B / N <= 1.2). In the formula (2), since the atomic ratio y of the amount of nitrogen is determined from the ratio of B and N in the overlap with the amount of C, the range cannot be determined by y alone. That is, when the amount of C is determined, since the individual amount of B and N from B / N is determined including y, it is not necessary to determine the range by y alone only if the range of B / N is determined.

Si의 질화물 혹은 탄질화물계 화합물인 화학식 3의 Si계 화합물은 층 A와 조합함으로써 보다 내산화성을 향상시키는 효과가 있다. 화학식 3 중, C의 양(원자비 x)이 많은 경우, 피막의 경도가 저하되는 경향이 있으므로, C의 원자비 x의 상한을 0.25 이하(상기 0≤ x≤ 0.25), 보다 바람직하게는 0.2 이하(0≤ x≤ 0.2)로 한다. 또한, Si/N의, Si와 N과의 비를 규정한 것은 Si/N비가 규정되는 범위(상기 0.5≤ Si/N≤ 2.0), 보다 바람직하게는 0.5≤ Si/N≤ 1.4로부터 벗어나며, 경도 저 하가 현저하여, 적층한 피막 전체의 경도 특성을 열화시키기 때문이다. 또한, 화학식 3 중에서 질소량의 원자비 y는 C량과의 중첩으로, 상기 Si와 N과의 비로부터 결정되기 때문에, y 단독으로는 범위를 정할 수 없다. 즉, C량이 결정되면, Si/N으로부터 Si와 N과의 개개의 양은 y를 포함해서 결정되기 때문에, Si/N의 범위만 결정해 두면 y 단독으로 범위를 정할 필요는 없다.The Si-based compound of formula (3), which is a nitride or carbonitride-based compound of Si, has an effect of further improving oxidation resistance by combining with layer A. In the general formula (3), when the amount of C (atomic ratio x) is large, the hardness of the coating tends to be lowered. Therefore, the upper limit of the atomic ratio x of C is 0.25 or less (where 0 ≦ x ≦ 0.25), more preferably 0.2 It is assumed as (0 ≦ x ≦ 0.2). In addition, the ratio of Si / N of Si / N is defined to deviate from the range in which the Si / N ratio is defined (the above 0.5 ≦ Si / N ≦ 2.0), more preferably 0.5 ≦ Si / N ≦ 1.4, and the hardness This is because the reduction is remarkable, which deteriorates the hardness characteristics of the entire laminated film. In addition, since the atomic ratio y of the amount of nitrogen in the general formula (3) is determined from the ratio of Si and N in the overlap with the amount of C, y alone cannot determine the range. That is, when the amount of C is determined, since the individual amounts of Si and N from Si / N are determined including y, it is not necessary to determine the range by y alone only if the range of Si / N is determined.

탄소 또는 질화 탄소계 화합물의 화학식 4 중에서 C량의 원자비 x는 0.6을 초과하여 과도하게 함유하는 경우 윤활성을 열화시킨다. 따라서, C량의 원자비 x의 상한을 0.6 이하(상기 0≤ x≤ 0.6)로 한다.The atomic ratio x of the amount of C in the general formula (4) of the carbon or carbon nitride compound deteriorates lubricity when excessively contained in excess of 0.6. Therefore, the upper limit of the atomic ratio x of the amount of C is set to 0.6 or less (where 0 ≦ x ≦ 0.6).

Cu의 질화물 또는 탄질화물계 화합물인 화학식 5의 화합물은 규정되는 조성범위내에서 층 A와 조합함으로써, 경도 증가를 도모할 수 있다. C의 원자비 x의 상한이 0.1을 초과하거나, 또는 상기 (CxN1-x)y의 원자비 y가 0.5를 초과하는 등, 이 조성 범위로부터 벗어나는 경우, 층 A와 조합하더라도 경도 증가 효과가 없다. 따라서, x, y는 각각 상기한 바와 같이, 0≤ x≤ 0.1, 0≤ y≤ 0.5로 한다.Compounds of the general formula (5), which are nitrides or carbonitride-based compounds of Cu, can be increased in hardness by combining with the layer A within a prescribed composition range. If the upper limit of the atomic ratio x of C exceeds 0.1 or the atomic ratio y of the (C x N 1-x ) y exceeds 0.5, such as when combined with the layer A, the hardness increase effect There is no. Therefore, x and y are each set to 0 ≦ x ≦ 0.1 and 0 ≦ y ≦ 0.5 as described above.

〔본 제 4 발명〕[This fourth invention]

(층 A의 성분 조성) (Component Composition of Layer A)

본 제 4 발명의 경질 적층 피막의 주상인 층 A의 성분 조성은 특히 절삭 공구 등의 미끄럼 운동 부분이 고온이 되는 용도에 대하여 높은 산화성을 갖는 것이 필요하다. 또한, 층 A에는 경질 피막에 요구되는 고경도, 내마모성 등의 기본 특성을 갖는 것이 필요하다. 이 때문에, 층 A의 성분 조성으로서는 Ti계나 Cr계의, 특정 조성의 화합물로부터 선택된다.The component composition of the layer A, which is the columnar of the hard laminated film of the fourth aspect of the present invention, needs to have a high oxidative property, particularly for applications in which sliding parts such as cutting tools become hot. In addition, the layer A needs to have basic characteristics such as high hardness and wear resistance required for the hard coating. For this reason, as a component composition of layer A, it selects from the compound of the specific composition of Ti system or Cr system.

(Ti계 화합물) (Ti-based compound)

이 중, Ti계의 층 A는 다음 화학식 1의 조성으로 이루어진 것으로 한다.Of these, the Ti-based layer A is composed of the following formula (1).

화학식 1Formula 1

(Ti1-x-yAlxMy)(BaCbN1-a-b-cOc )[여기서, x, y, a, b, c는 각각 원자비를 나타내고, 0.4≤ x≤ 0.8, 0≤ y≤ 0.6, 0≤ a≤ 0.15, 0≤ b≤ 0.3, 0≤ c≤ 0.1, 또한, M은 4A, 5A, 6A, Si의 1종 이상에서 선택되는 금속 원소] (Ti 1-xy Al x M y ) (B a C b N 1-abc O c ) [where x, y, a, b, c each represent an atomic ratio, and 0.4 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ y ≤ 0.6, 0 ≤ a ≤ 0.15, 0 ≤ b ≤ 0.3, 0 ≤ c ≤ 0.1, and M is a metal element selected from one or more of 4A, 5A, 6A, and Si]

또한, 상기 화학식 1에 있어서, (TiAlM)과 (BCNO)와의 원자비, 바꿔 말하면 금속 원소 그룹과 비금속 원소 그룹과의 두 괄호끼리의 원자비는 보통은 1:1이지만, 반드시 1:1의 경우에만 한정되는 것은 아니다. 하기와 같이 예시하는, 실제로 성막되는 Ti계 화합물에서는 성막 조건의 차이 등에도 따라 (TiAlM)과 (BCNO)와의 원자비는 당연히 1:1의 경우에만 한정되지 않고, 예컨대, 0.8∼1.2: 0.8∼1.2 등의 편향폭을 가지고 있다. 따라서, 상기 화학식 1에 있어서, (TiAlM)과 (BCNO)와의 원자비, 금속 원소 그룹과 비금속 원소 그룹과의 원자비는 이들의 실제로 성막되는 Ti계 화합물의 원자비의 편향폭을 당연히 허용하는 것이다.In the above formula (1), the atomic ratio between (TiAlM) and (BCNO), in other words, the atomic ratio between the two parentheses between the metal element group and the nonmetal element group is usually 1: 1, but is necessarily 1: 1. It is not limited only to. In the Ti-based compound actually formed as described below, the atomic ratio between (TiAlM) and (BCNO) is naturally not limited to 1: 1 only, depending on the difference in film forming conditions and the like, for example, 0.8 to 1.2: 0.8 to It has a deflection width of 1.2. Therefore, in the above formula (1), the atomic ratio between (TiAlM) and (BCNO) and the atomic ratio between the metallic element group and the nonmetallic element group naturally allow the deflection width of the atomic ratio of the Ti-based compound to be actually formed. .

이 층 A의 성분 조성 중, 우선, Ti의 질화물, 탄질화물, 붕질화물, 탄붕질화물은 TiAlN, TiAlCrN, TiAlVN, TiAlNbN, TiAlBN, TiAlCrCN, 등의 Ti계 화합물로 대표되는 바와 같이, 경질 피막으로서, 고경도, 고내마모성 등의 특성을 가지고 있어, 본 발명의 층 A 부분의 베이스가 되는 성분으로서 최적이다.In the component composition of this layer A, first, the nitride, the carbonitride, the boride, and the carbonitride of Ti are hard films, as represented by Ti-based compounds such as TiAlN, TiAlCrN, TiAlVN, TiAlNbN, TiAlBN, TiAlCrCN, and the like. It has characteristics such as high hardness and high wear resistance, and is optimal as a component serving as the base of the layer A portion of the present invention.

이 Ti계 성분에 대하여 상기 성분 조성식과 같이 Al을 포함함으로써 층 A의 경도와 내산화성이 향상된다. 이 효과는 Al을 원자비 x로 0.4 내지 0.8의 범위(상기 0.4≤ x≤ 0.8의 범위), 바람직하게는 0.5 내지 0.8의 범위(0.5≤ x≤ 0.8의 범위)로 포함할 때에 특히 크게 발휘된다. 한편, Al을 포함하더라도 이 성분 범위에서 벗어나는 경우에는 경도와 내산화성의 향상 효과가 없거나 작아서 Al을 포함하는 의미가 없다.By containing Al with respect to this Ti-based component like the said component composition formula, the hardness and oxidation resistance of layer A improve. This effect is particularly exhibited when Al is included in the atomic ratio x in the range of 0.4 to 0.8 (the range of 0.4 ≦ x ≦ 0.8), preferably in the range of 0.5 to 0.8 (the range of 0.5 ≦ x ≦ 0.8). . On the other hand, even if it contains Al, if it is out of this component range, there is no effect of improving the hardness and oxidation resistance, or it is not meant to include Al.

(금속 원소 M) (Metal element M)

상기 성분 조성식과 같이, 추가로 M으로 표시되는 4A, 5A, 6A, Si 중 어느 1종 이상에서 선택되는 금속 원소를 선택적으로 함유하는 경우에는 더욱 층 A의 경도, 내산화성이 개선된다. 이 효과는 금속 원소 M을 원자비 y로 0.6 이하(상기 0≤ y≤ 0.6의 범위)로 포함할 때에 특히 크게 발휘된다. 그 이유는 M을 원자비로 0.6을 초과하여 함유하는 경우, 베이스가 되는 Ti, Al의 합계 함유량이 원자비로 0.4 미만이 되어, 층 A의 경도, 내산화성 모두 오히려 저하되기 때문이다.As in the above component composition formula, when the metal element selected from any one or more of 4A, 5A, 6A, and Si represented by M is selectively contained, the hardness and the oxidation resistance of the layer A are further improved. This effect is particularly exhibited when the metal element M is contained in an atomic ratio y of 0.6 or less (in the range of 0 ≦ y ≦ 0.6). This is because when M is contained in an atomic ratio exceeding 0.6, the total content of Ti and Al serving as a base is less than 0.4 in atomic ratio, and both the hardness and the oxidation resistance of the layer A are rather lowered.

또한, 상기 효과를 발휘하는 금속 원소 M으로서 바람직한 것은 Cr, V, Si의 1종 이상에서 선택되는 조합으로, 효과를 발휘하는 바람직한 함유 범위는 원자비로 0.06 내지 0.6의 범위, 보다 바람직하게는 0.1 내지 0.3의 범위이다.The metal element M exhibiting the above effects is preferably a combination selected from one or more of Cr, V, and Si, and the preferred content range exhibiting the effects is in the range of 0.06 to 0.6, more preferably 0.1 in atomic ratio. To 0.3.

(비금속 원소) (Nonmetallic element)

상기 층 A의 성분 조성식의 B, C, N에서 선택되는 비금속 원소 중 질소(N은 질화물, 탄질화물, 붕질화물, 탄붕질화물을 형성하기 위해 필수적이다. 이 질소의 함유량은 다른 선택적으로 함유되는 B, C의 함유량(상기 성분 조성식 중의 a나 b의 값)이나, 또는 O의 함유량(상기 성분 조성식 중의 c의 값)에 따라 상기 층 A의 성분 조성식과 같이 N1-a-b-c로 규정된다.Nitrogen in the nonmetallic elements selected from B, C, and N in the compositional formula of the layer A (N is essential to form nitrides, carbonitrides, borides, and carbonitrides. The content of C (the value of a or b in the component composition formula) or the content of O (the value of c in the component composition formula) is defined as N 1 -abc as in the component composition formula of the layer A.

붕소(B)는 붕질화물, 탄붕질화물을 형성하기 위해 선택적으로 함유된다. 다만 함유하는 경우라도 과도하게 첨가하면 연질인 B 화합물이 석출되어 층 A의 경도, 내산화성 모두 저하시킨다. 이 때문에, 원자비 a로 상한을 0.15(상기 0≤ a≤ 0.15), 바람직하게는 상한을 0.1 이하(0≤ a≤ 0.1)로 한다.Boron (B) is optionally contained to form borosilicates and carbonitrides. However, even if it contains too much, the soft B compound precipitates and both the hardness and the oxidation resistance of the layer A are reduced. For this reason, the upper limit is 0.15 (the above 0 <a≤0.15) by the atomic ratio a, Preferably the upper limit is 0.1 or less (0 <a <0.1).

탄소(C)는 탄화물, 탄질화물을 형성하기 위해 선택적으로 함유된다. 다만 함유하는 경우라도 과도하게 첨가하면 층 A의 연질화로 이어져, 층 A의 경도, 내산화성 모두 저하시킨다. 이 때문에, 원자비 b로 상한을 0.3(상기 0≤ b≤ 0.3), 바람직하게는 상한을 0.2 이하(상기 0≤ b≤ 0.2)로 한다.Carbon (C) is optionally contained to form carbides and carbonitrides. However, excessive addition also leads to softening of the layer A, thereby lowering both the hardness and the oxidation resistance of the layer A. For this reason, an upper limit is made 0.3 (the said 0 <= b <= 0.3) by the atomic ratio b, Preferably an upper limit is 0.2 or less (the said 0 <b <0.2).

또한, 산소(O)에 대해서는 미량의 함유에 의해 층 A의 경도 증가를 도모할 수 있는 경우도 있지만, 원자비(c)로 0.1을 초과하여 함유하면, 피막중에 차지하는 산화물의 비율이 많아져, 피막의 인성이 손상된다. 이 점에서 상한을 0.1 이하(상기 0≤c≤ 0.1)로 한다.In addition, about the oxygen (O), although the hardness of the layer A can be increased by containing a trace amount, when it contains more than 0.1 by atomic ratio (c), the ratio of the oxide to a film will increase, The toughness of the film is impaired. The upper limit is made 0.1 or less (0 <c <0.1) at this point.

(Cr계 화합물)(Cr-based compound)

또한, Cr계의 층 A는 다음 화학식 6의 조성으로 이루어진 것으로 한다.In addition, Cr-based layer A is made of the composition of the following formula (6).

화학식 6Formula 6

(Cr1-αXα)(BaCbN1-a-b-cOc)e (Cr 1-α X α ) (B a C b N 1-abc O c ) e

[상기에서, α, a, b, c, e는 각각 원자비를 나타내고, 0≤α≤ 0.9, 0≤ a≤ 0.15, 0≤ b≤ 0.3, 0≤ c≤ 0.1, 0.2≤ e≤ 1.1, 또한, X는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Al, Si 중 어느 1종 이상에서 선택되는 금속 원소][In the above, α, a, b, c and e each represent an atomic ratio, 0 ≦ α ≦ 0.9, 0 ≦ a ≦ 0.15, 0 ≦ b ≦ 0.3, 0 ≦ c ≦ 0.1, 0.2 ≦ e ≦ 1.1, X is a metal element selected from any one or more of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Al, and Si.]

층 A의 Cr계 성분 조성 중, Cr의 질화물, 탄질화물, 붕질화물, 탄붕질화물도 CrN, Cr2N, CrSiN, CrAlN, CrBN, CrSiBN 등의 Cr계 화합물로 대표되는 바와 같이 경질 피막으로서 고경도, 고내마모성 등의 특성을 가지고 있어, 본 발명의 층 A 부분의 베이스가 되는 성분으로서 최적이다.In the Cr-based component composition of the layer A, nitrides, carbonitrides, borides, and carbonitrides of Cr are also high hardness as hard films as represented by Cr-based compounds such as CrN, Cr 2 N, CrSiN, CrAlN, CrBN, CrSiBN, etc. It has the characteristics of high abrasion resistance, etc., and is optimal as a component used as a base of the layer A part of this invention.

이 Cr계 성분 조성은 Cr량이 적은 경우에는 Ti계 성분 조성에 비해 경도는 낮다. 그러나, 미끄럼 운동 부재에 사용된 경우, Ti계 성분 조성에 비해 상대재에 대한 공격성이 낮은 특징이 있어, 미끄럼 운동 부재에 바람직하다. 또한, Cr량이 적은 경우라도 첨가 원소에 따라서는 고경도를 얻을 수 있어, 절삭 공구에도 적합하다.This Cr-based component composition has a lower hardness than the Ti-based component composition when the amount of Cr is small. However, when used for a sliding member, it has a characteristic of having low aggression with respect to a counterpart compared with Ti-based component composition, and is preferable for a sliding member. In addition, even if the amount of Cr is small, high hardness can be obtained depending on the added element, and is suitable for cutting tools.

(첨가 원소 X)(Additional element X)

이 고경도화를 위한 첨가 원소 X는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Al, Si에서 선택되는 특정한 금속 원소이다. 이들 금속 원소 X를 원자비(α)로 0.9 이하(상기 0≤α≤ 0.9의 범위)로 포함할 때에 특히 크게 발휘된다. 그 이유는 금속 원소 X를 원자비로 0.9를 초과하여 함유하는 경우, 베이스가 Cr의 함유량이 원자비로 0.1미만이 되어, 층 A의 경도, 내산화성 모두 오히려 저하되기 때문이다.The additional element X for this high hardness is a specific metal element selected from Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Al, Si. It is especially exhibited when these metal elements X are included in 0.9 or less (the range of said 0 <=== 0.9) in atomic ratio (alpha). This is because when the metal element X is contained in an atomic ratio of more than 0.9, the base content of Cr is less than 0.1 in an atomic ratio, and both the hardness and the oxidation resistance of the layer A are rather lowered.

특히, 미끄럼 운동 부재에 사용하는 경우에는 Cr량이 적으면 상대재에 대한 공격성이 늘기 때문에 어느 정도의 Cr량의 확보가 필요하다. 이 때문에, 미끄럼 운동 부재에 사용하는 경우에는 바람직하게는 상기 원자비(α)를 0.5 이하, 보다 바람직하게는 0.3 이하로 하여 Cr량을 확보한다. 또한, 절삭 공구에 사용하는 경우에는 반대로 바람직하게는 상기 원자비(α)를 0.5 이상, 보다 바람직하게는 0.7 이상으로 하여 경도를 높인다.In particular, when used for a sliding member, it is necessary to secure a certain amount of Cr because a small amount of Cr increases the aggressiveness to the counterpart. For this reason, when using it for a sliding member, Preferably the said atomic ratio (alpha) is 0.5 or less, More preferably, it is 0.3 or less, and ensures Cr amount. Moreover, when using for a cutting tool, on the contrary, Preferably, the said atomic ratio (alpha) is made 0.5 or more, More preferably, it makes 0.7 or more, and raises hardness.

(비금속 원소)(Nonmetallic element)

상기 층 A의 성분 조성식의 B, C, N에서 선택되는 비금속 원소의 규정 수치 및 의미는 상기한 Ti계 화합물과 동일하다. 단, 상기 화학식 6 중의 (BaCbN1-a-b-cOc)e의 원자비(e)에 대해서는 0.2 내지 1.1(상기 0.2≤e≤ 1.1)의 범위로 한다. e가 0.2 미만에서는 B, C, N에서 선택되는 비금속 원소량이 부족하여, 층 A의 경도, 내산화성 모두 저하된다. 한편, e가 1.1을 초과하더라도 Cr이나 X 등의 금속 원소가 부족하여, 층 A의 경도, 내산화성 모두 오히려 저하된다.The prescribed values and meanings of the nonmetallic elements selected from B, C and N in the component composition formula of the layer A are the same as those of the Ti-based compound. However, the atomic ratio (e) of (B a C b N 1 -abc O c ) e in Chemical Formula 6 is in the range of 0.2 to 1.1 (the above 0.2 ≦ e ≦ 1.1). If e is less than 0.2, the amount of nonmetallic elements selected from B, C, and N is insufficient, and both the hardness and the oxidation resistance of the layer A are lowered. On the other hand, even if e exceeds 1.1, metal elements, such as Cr and X, run short, and both hardness and oxidation resistance of layer A fall rather.

(층 B의 성분 조성)(Component Composition of Layer B)

층 B는 층 A가 갖지 않는 고온에서의 윤활성 등의 특성을 부여하거나, 또는 내산화성 등 층 A의 특성을 보다 개선시키는 역할을 기본적으로 가지고 있다. 이러한 특성은 층 B가 다음 화학식 7의 조성으로 이루어질 때에 발휘된다.The layer B basically has a role of imparting characteristics such as lubricity at high temperatures that the layer A does not have, or further improving characteristics of the layer A, such as oxidation resistance. This property is exerted when layer B consists of the composition of the following formula (7).

화학식 7Formula 7

M(BaCbN1-a-b-cOc)M (B a C b N 1-abc O c )

[상기에서, M은 W, Mo, V, Nb 중 어느 1종 이상에서 선택되는 금속 원소, a, b, c는 각각 원자비를 나타내고, 0≤ a≤ 0.15, 0≤ b≤ 0.3, 0≤ c≤0.1][In the above, M is a metal element selected from any one or more of W, Mo, V, Nb, a, b, c each represents an atomic ratio, 0≤ a≤ 0.15, 0≤ b≤ 0.3, 0≤ c≤0.1]

또한, 상기 화학식 7에 있어서, M과 (BCNO)와의 원자비, 바꿔 말하면, 금속 원소 M과 비금속 원소 그룹과의 원자비는 보통은 1:1이지만, 반드시 1:1의 경우에만 한정되는 것이 아님은 상기 화학식 1의 경우와 마찬가지이다. 따라서, 금속 원소 M과 비금속 원소 그룹과의 원자비는 0.8∼1.2: 0.8∼1.2 등의 편향폭을 허용하는 것이다.In the above formula (7), the atomic ratio between M and (BCNO), in other words, the atomic ratio between the metal element M and the nonmetallic group is usually 1: 1, but is not necessarily limited to 1: 1. Is the same as in the case of formula (1). Therefore, the atomic ratio between the metal element M and the nonmetallic element group allows deflection widths such as 0.8 to 1.2: 0.8 to 1.2 and the like.

상기 화학식 7의 조성식으로 표시되는 화합물은 상기한 층 A의 Ti계나 Cr계의 특정 조성의 화합물과는 다른 결정 구조를 가지고 있다. 이 때문에, 경질 적층 피막의 경도를 현저히 증가시키는 등, 층 A의 특성을 향상시킬 수 있다.The compound represented by the above formula (7) has a crystal structure different from that of the compound of the Ti-based or Cr-based specific composition of the layer A. For this reason, the characteristic of layer A can be improved, for example, the hardness of a hard laminated film is increased significantly.

즉, 상기한 층 A의 화합물은 보통은 입방정 암염형 결정 구조를 가지며, 원소의 함유량에도 따르지만, 0.41 내지 0.43nm 정도의 격자 정수를 갖는다. 이에 반해, 상기 화학식 7의 조성식으로 표시되는 W, Mo, V, Nb를 포함하는 화합물은 0.44 nm 이상의 비교적 큰 격자 정수를 갖는다. 이 때문에, 이들 화합물을 층 B로 하여 상기한 층 A의 화합물과 적층(성막)할 때에, 층 A와 층 B와의 계면에 큰 변형이 도입된다. 그 결과, 피막 사용시에 피막 외부로부터 변형이 가해져, 피막의 크랙 등이 피막의 상하(두께 방향)로 간 경우에 있어서도, 상기 계면의 변형에 의해 피막의 크랙이, 그 부분에서 저지될 확률이 높다. 이 때문에, 상기한 바와 같이, 층 A의 경도나 내구성 등의 특성을 향상시킬 것으로 미루어 짐작된다.That is, the compound of the layer A usually has a cubic rock salt crystal structure and, depending on the content of the element, has a lattice constant of about 0.41 to 0.43 nm. In contrast, the compound including W, Mo, V, and Nb represented by the formula of Formula 7 has a relatively large lattice constant of 0.44 nm or more. For this reason, when lamination | stacking (film-forming) with the compound of said layer A using these compounds as layer B, a big deformation | transformation is introduce | transduced into the interface of layer A and layer B. As a result, even when the film is deformed from the outside of the film when the film is in use, and the crack of the film or the like goes up and down (thickness direction) of the film, there is a high probability that the crack of the film is blocked by the deformation of the interface. . For this reason, it is estimated that it will improve characteristics, such as hardness and durability of the layer A, as mentioned above.

상기 화학식 7의 조성식으로 표시되는 화합물 중, W, Mo, Nb를 포함하는 화합물은 층 A와 적층한 경우, 층 A의 내산화성을 향상시킬 수 있다. W, Mo, Nb를 포함하는 화합물은 단일체에서의 산화 개시 온도는 600 내지 700℃로 낮다. 그러 나, 층 B의 2배 이상의 두께를 갖는 층 A와 적층한 경우, 층 A 중에 포함되는, Ti, Al, Cr 등이 형성하는 산화막 중에 상기 W, Mo, Nb의 원소가 확산되어 상기 산화막을 치밀화하고, 그 결과 층 A의 내산화성을 향상시킨다.Of the compounds represented by the formula of Formula 7, the compound containing W, Mo, and Nb, when laminated with the layer A, can improve the oxidation resistance of the layer A. Compounds containing W, Mo, and Nb have a low oxidation start temperature in the monoliths of 600 to 700 ° C. However, in the case of lamination with a layer A having a thickness not less than twice the thickness of the layer B, the elements of W, Mo, and Nb are diffused in the oxide film formed by Ti, Al, Cr, and the like contained in the layer A to form the oxide film. Densification, and as a result, the oxidation resistance of layer A is improved.

상기 화학식 7의 조성식으로 표시되는 화합물 중, V를 포함하는 화합물은 층 A의 내산화성은 향상시키지 않지만, 층 A의 고온에서의 윤활성을 향상시킬 수 있다. V는 고온에서 연질인 산화물(V2O5 등)을 형성하여, 이 산화물이 층 A의 고온에서의 윤활성을 향상시킨다.Of the compounds represented by the formula of Formula 7, the compound containing V does not improve the oxidation resistance of the layer A, but can improve the lubricity at a high temperature of the layer A. V forms an oxide (V 2 O 5, etc.) that is soft at high temperatures, so that the oxide improves lubricity at high temperatures of layer A.

상기 화학식 7의 조성식에 있어서, 이들 W, Mo, V, Nb를 2종 이상 포함하는 경우에는 상기한 효과를 발휘시키기 위해 필요한 조성 비율을 적절히 선택하면 바람직하다.In the composition formula of the above formula (7), in the case of containing two or more of these W, Mo, V, and Nb, it is preferable to appropriately select the composition ratio necessary for achieving the above-mentioned effect.

상기 화학식 7의 조성식에 있어서의 (BaCbN1-a-b-cOc)의 비금속 원소의 규정 수치 및 의미는 상기한 A층의 경우와 동일하다. 즉, 질소(N)는 질화물, 탄질화물, 붕질화물, 탄붕질화물을 형성하기 위해 필수적이다. 이 질소의 함유량은 다른 선택적으로 함유되는 B, C의 함유량(상기 성분 조성식 중의 a나 b의 값)이나, 또는 O의 함유량(상기 성분 조성식 중의 c의 값)에 의해 상기 층 B의 성분 조성식과 같이 N1-a-b-c로 규정된다.The prescribed numerical value and meaning of the nonmetallic element of (B a C b N 1-abc O c ) in the composition formula of Formula 7 are the same as in the case of A layer described above. In other words, nitrogen (N) is essential to form nitrides, carbon nitrides, borosilicates, and carbonitrides. This nitrogen content is different from the component composition formula of the said layer B by content of B and C which are selectively contained (value of a or b in the said component composition formula), or O content (value of c in the said component composition formula). Likewise , N 1 -abc is defined.

붕소는 붕질화물, 탄붕질화물을 형성하기 위해 선택적으로 함유된다. 다만 함유하는 경우라도 과도하게 첨가하면 연질인 B 화합물이 석출되어 층 B, 나아가서는 A의 경도, 내산화성 모두 저하시킨다. 이 때문에, 원자비 a로 상한을 0.15(상 기 0≤ a≤ 0.15), 바람직하게는 상한을 0.1 이하(0≤ a≤ 0.1)로 한다.Boron is optionally contained to form borosilicate, carbonitride. However, even if it contains excessively, soft B compound will precipitate, and both the hardness and oxidation resistance of layer B, and also A will fall. For this reason, the upper limit is 0.15 (the above 0 <a≤0.15) by atomic ratio a, Preferably the upper limit is 0.1 or less (0 <a <0.1).

탄소(C)는 탄화물, 탄질화물을 형성하기 위해 선택적으로 함유된다. 다만 함유하는 경우라도 과도하게 첨가하면 층 B, 나아가서는 층 A의 연질화로 이어져, 피막의 경도, 내산화성 모두 저하시킨다. 이 때문에, 원자비 b로 상한을 0.3(상기 0≤ b≤ 0.3), 바람직하게는 상한을 0.2 이하(0≤ b≤ 0.2)로 한다.Carbon (C) is optionally contained to form carbides and carbonitrides. However, even if it contains too much, it will lead to soft nitriding of layer B, and also layer A, and it will reduce both the hardness and the oxidation resistance of a film. For this reason, an upper limit is made 0.3 (the said 0 <= b <= 0.3) by the atomic ratio b, Preferably, an upper limit is made 0.2 or less (0 <b <0.2).

또한, 산소(O)에 대해서는 미량의 함유에 의해 층 B, 나아가서는 층 A의 경도 증가를 도모할 수 있는 경우도 있지만, 원자비(c)로 0.1을 초과하여 함유하면, 피막내에 차지하는 산화물의 비율이 많아져, 피막의 인성이 손상된다. 이 점에서 상한을 0.1 이하(상기 0≤c≤ 0.1)로 한다.In addition, the oxygen (O) may be able to increase the hardness of the layer B, and further, the layer A, by containing a small amount of the oxygen (O). The ratio increases, and the toughness of the film is impaired. The upper limit is made 0.1 or less (0 <c <0.1) at this point.

(층 B의 금속 원소 M의 다른 금속 원소 M1에 의한 치환)(Substitution by other metal element M1 of metal element M of layer B)

상기 층 B의 조성식 3에 있어서, 금속 원소 M을, 상기 W, Mo, V, Nb를 제외한, 이들과는 별도의 4A, 5A, 6A, Si의 1종 이상에서 선택되는 금속 원소 M1로 치환할 수도 있다. 이는 금속 원소 M의 효과를 저해하지 않는 범위에서, 금속 원소 M1의 함유를 허용하는 의미와, 금속 원소 M1을 함유시킴으로써 금속 원소 M과의 조합에 따라서는 층 B에 선택하는 금속 원소 M1의 성질을 부가 또는 층 B의 (나아가서는 층 A나 피막의) 성능을 향상시킬 수 있는 의미가 있다.In the composition formula 3 of the layer B, the metal element M is replaced with a metal element M1 selected from at least one of 4A, 5A, 6A, and Si, except for W, Mo, V, and Nb. It may be. This means that the inclusion of the metal element M1 is allowed within the range that does not impair the effect of the metal element M and the properties of the metal element M1 selected for the layer B depending on the combination with the metal element M by containing the metal element M1. There is a meaning that the addition or the performance of the layer B (and further, the layer A or the film) can be improved.

예컨대, 금속 원소 M으로서 W, Mo, V를, 금속 원소 M1로서 Ti, Al, Si, Cr 중 어느 하나로 치환함으로써 피막 경도를 향상시킬 수 있다.For example, the film hardness can be improved by replacing W, Mo, and V as the metal element M with any one of Ti, Al, Si, and Cr as the metal element M1.

이들 치환하는 경우의 양적 비율은 M1-bM1b에 있어서, 원자비 b를 0.3 이하( 상기 0≤ b≤ 0.3)의 범위로 한다. 금속 원소 M1이 원자비 b로 0.3을 초과하여 치환된 경우, 오히려 금속 원소 M인, W, Mo, Nb, V의 층 A의 경도나 내구성 향상효과, W, Mo, Nb의 상기 내산화성 향상 효과나, Nb의 상기 고온 윤활성 향상 효과를 저해시킨다.In the quantitative ratio of 1-b M b M1 in the case of these substituted, and the atomic ratio (b) in the range of 0.3 or less (wherein 0≤ b≤ 0.3). When the metal element M1 is substituted by more than 0.3 in the atomic ratio b, rather, the effect of improving the hardness and durability of the layer A of W, Mo, Nb, and V, which is the metal element M, and the effect of improving the oxidation resistance of W, Mo, and Nb B, the high temperature lubricity improvement effect of Nb is inhibited.

이하에, 본 제 1 내지 4의 발명의 경질 적층 피막의 제조에 적합한 본 제 5 발명의 복합 성막 장치에 대하여 실시태양을 도면을 이용하여 구체적으로 설명한다. 도 5는 본 발명의 성막 장치의 일 실시태양을 나타내는 평면도이다. 또한, 도 6은 비교예의 성막 장치를 나타내는 평면도이다. 도 8은 본 발명의 복합 성막 장치의 다른 실시태양을 나타내는 정면도이다. 도 9는 본 발명의 복합 성막 장치의 또 다른 실시태양을 나타내는 평면도이다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Below, embodiment is concretely demonstrated using drawing for the composite film-forming apparatus of this 5th invention suitable for manufacture of the hard laminated film of this invention of 1st-4th. 5 is a plan view showing an embodiment of the film forming apparatus of the present invention. 6 is a top view which shows the film-forming apparatus of a comparative example. 8 is a front view showing another embodiment of the composite film forming apparatus of the present invention. 9 is a plan view showing another embodiment of the composite film deposition apparatus of the present invention.

도 5, 6에 나타낸 성막 장치에서는 공통적으로 챔버(8) 내에, 기판(1)을 다수개(도 5에서는 4개 대칭으로) 회전판(9) 위에 배치하고, 그 주위에 원주형(원주 위)으로 스퍼터링 증발원(2, 3)과 아크 증발원(5, 6)을, 스퍼터링 증발원(2, 3)끼리, 아크 증발원(5, 6)끼리 각각 대향하여 배치하고 있다. 그리고, 스퍼터링 증발원과 아크 증발원은 서로 인접하도록 교대로 배치되어 있다.In the film forming apparatus shown in FIGS. 5 and 6, a plurality of substrates 1 (four symmetrically in FIG. 5) are placed on the rotating plate 9 in the chamber 8 in a common manner, and are circumferential (circumferential) around them. Therefore, the sputtering evaporation sources 2 and 3 and the arc evaporation sources 5 and 6 are arranged so as to face the sputtering evaporation sources 2 and 3 and the arc evaporation sources 5 and 6, respectively. The sputtering evaporation source and the arc evaporation source are alternately arranged to be adjacent to each other.

그리고, 회전판(9)의 회전에 따라 각 기판(1)을 회동시켜, 기판(1)이 교대로 아크 증발원(5, 6)과 스퍼터링 증발원(2, 3) 앞을 통과하도록 하고 있다. 이 경우, 회전판(9)이나 기판(1) 쪽을 회전시키지 않고, 아크 증발원(5, 6)과 스퍼터링 증발원(2, 3) 쪽을, 기판(1)의 주위를 회전하도록 해도 좋으며, 요는 성막하는 기판을 상기 아크 증발원 및 스퍼터링 증발원 사이에서 순차적으로 상대적으로 이동 시키는 수단을 갖고 있으면 된다.Each board | substrate 1 is rotated with the rotation of the rotating plate 9, and the board | substrate 1 alternately passes through the arc evaporation source 5 and 6 and the sputtering evaporation source 2 and 3 front. In this case, the arc evaporation sources 5 and 6 and the sputtering evaporation sources 2 and 3 may be rotated around the substrate 1 without rotating the rotating plate 9 or the substrate 1. What is necessary is just to have the means to move the film-forming board | substrate relatively sequentially between the said arc evaporation source and a sputtering evaporation source.

또한, 다른 태양으로서, 스퍼터링 증발원(2, 3)과 아크 증발원(5, 6)을 챔버(8)내에 원주 형상으로는 배치하지 않고 직선형 등 직렬적으로 교대로 배열하고, 성막하는 기판을 상기 아크 증발원 및 스퍼터링 증발원 사이에서 순차적으로 상대적으로 이동시킬 수도 있다.In another aspect, the arcing sputtering evaporation sources 2 and 3 and the arc evaporation sources 5 and 6 are arranged in series in a straight line or the like, without arranging the cylinder evaporation sources 5 and 6 in the circumferential shape. It is also possible to sequentially move relatively between the evaporation source and the sputtering evaporation source.

그리고, 아크 증발원(5, 6)을 이용하여, 예컨대, TiAlN 등의 경질 피막을 성막하는 경우에는 질소, 메테인, 아세틸렌 등의 반응 가스를 챔버(8) 내에 도입하여, 수 Pa 정도의 반응성 가스를 포함하는 압력 영역의 분위기 중에서, TiAl 타겟을 이용하여 성막을 실시한다.In the case where a hard film such as TiAlN is formed by using the arc evaporation sources 5 and 6, for example, a reactive gas such as nitrogen, methane or acetylene is introduced into the chamber 8 to generate a reactive gas of about several Pa. Film formation is performed using a TiAl target in the atmosphere of the pressure range containing the TiAl target.

또한, 스퍼터링 증발원(2, 3)을 이용하여, 예컨대, 마찬가지로 TiAlN 등의 경질 피막을 성막하는 경우에는 TiAl 타겟을 이용하는 점은 아크에 의한 성막과 동일하다. 그러나, 스퍼터링 가스가 되는 Ar, Ne, Xe 등의 불활성 가스는 질소 등과의 반응 가스를 혼합하여 이용하면서, 분위기의 전체 압력은 0.몇 Pa 정도로 아크에 의한 성막보다 낮은 압력 영역에서 실시한다.In addition, when forming a hard film, such as TiAlN, using the sputtering evaporation source 2 and 3 similarly, the point which uses TiAl target is the same as that of film-forming by an arc. However, inert gases such as Ar, Ne, and Xe, which become sputtering gases, are mixed with a reaction gas with nitrogen and the like, and the total pressure of the atmosphere is carried out in a pressure region lower than film formation by an arc of about 0.1 Pa.

그리고, 회전판(9)을 회전시키고, 각 기판(1)을 회동시켜서 기판(1)이 교대로 아크 증발원(5, 6)과 스퍼터링 증발원(2, 3) 앞을 통과하도록 함으로써, 각 스퍼터링에 의한 성막이나 각 아크에 의한 성막을 순차적으로 실시하고, 동일 또는 상이한 경질 재료를 이용하여 기판(1) 상에 동일 또는 상이한 조성이나 두께의 경질 피막을 순차적으로 다층으로 성막하는 것이 가능하다.The rotating plate 9 is rotated, and the respective substrates 1 are rotated so that the substrates 1 pass alternately in front of the arc evaporation sources 5 and 6 and the sputtering evaporation sources 2 and 3. Film formation or film formation by each arc can be carried out sequentially, and a hard film of the same or different composition or thickness can be sequentially formed into multiple layers on the substrate 1 using the same or different hard materials.

(자장 인가 기구)(Magnetic field authorization mechanism)

여기서, 도 5, 6에 나타낸 성막 장치는, 공통적으로 상기 아크 증발원(5, 6) 및스퍼터링 증발원(2, 3) 모두 이들 증발원이 각각 구비하는 영구 자석 등의 자장 인가 기구(4)에 의해 발생 및 제어되는 자장(10)을 이용하고 있다.Here, the film deposition apparatus shown in Figs. 5 and 6 is commonly generated by a magnetic field applying mechanism 4 such as a permanent magnet which the arc evaporation sources 5 and 6 and the sputtering evaporation sources 2 and 3 each have, respectively. And the magnetic field 10 to be controlled.

그러나, 이 자장(10)을 이용하는 경우에 있어서, 도 5의 본 발명의 성막 장치에서는 인접하는 양 증발원의 자장(10)끼리, 예컨대 아크 증발원(5)과 스퍼터링 증발원(2, 3)과의 자장(1)끼리가 서로 연결된다. 즉, 성막중에 인접하는 상기 증발원끼리의 자력선(자장(10))이 서로 연결되도록 상기 자장 인가 기구(4)가 구성되어 있다.However, in the case of using this magnetic field 10, in the film forming apparatus of the present invention shown in Fig. 5, the magnetic fields 10 of the adjacent evaporation sources, for example, the magnetic field between the arc evaporation source 5 and the sputtering evaporation sources 2 and 3, respectively. (1) They are connected to each other. In other words, the magnetic field applying mechanism 4 is configured such that the magnetic field lines (magnetic field 10) of the evaporation sources adjacent to each other during the film formation are connected to each other.

이 때문에, 동일 성막 챔버(8) 내의 자장(10)(자력선)은 닫힌 상태(폐자장 기구)로 되어 있어, 상기 증발원으로부터의 방출 전자가 이 폐자장 구조내에 트랩되어, 기판(1)과 마찬가지로 애노드가 되는 챔버(8)에 용이하게 유도되지 않는다. 그 결과, 방출 전자의 농도가 높아지고, 스퍼터링 가스나 반응성 가스와의 충돌이 많아져, 고효율로 가스의 이온화를 실시할 수 있다. For this reason, the magnetic field 10 (magnetic field line) in the same film forming chamber 8 is in a closed state (closed magnetic field mechanism), and the electrons emitted from the evaporation source are trapped in the closed magnetic field structure, similarly to the substrate 1. It is not easily guided to the chamber 8 which becomes the anode. As a result, the concentration of the emitted electrons increases, collisions with the sputtering gas and the reactive gas increase, and the gas can be ionized with high efficiency.

이에 따라, 동일 성막 챔버내에서 아크 성막과 스퍼터링 성막을 동시에 실시하는 경우라도, 도 1의 본 발명의 성막 장치에서는 인접하는 양 증발원으로부터의 이온의 지향성이 향상되어, 기판(1)에 대한 이온 조사를 증가시켜, 보다 특성이 우수한 피막을 형성하는 것이 가능해진다.As a result, even when arc film formation and sputtering film formation are simultaneously performed in the same film formation chamber, in the film forming apparatus of the present invention of FIG. 1, the directivity of ions from both of the adjacent evaporation sources is improved, and ion irradiation to the substrate 1 is performed. It is possible to form a film having more excellent properties by increasing.

이에 반해, 도 6의 비교예의 성막 장치에서는 인접하는 양 증발원의 자장(10)끼리, 예컨대 아크 증발원(5)과 스퍼터링 증발원(2, 3)과의 자장(10)끼리가 서로 이어지지 않고, 독립되어 있다.In contrast, in the film forming apparatus of Comparative Example of FIG. 6, the magnetic fields 10 of the two evaporation sources adjacent to each other, for example, the magnetic fields 10 of the arc evaporation source 5 and the sputtering evaporation sources 2 and 3 do not connect to each other and are independent of each other. have.

이 때문에, 동일 성막 챔버(8) 내의 자장(10)(자력선)은 열린 상태(개자장 구조)로 되어 있어, 상기 증발원으로부터의 방출 전자는 각각의 자장(10)(자력선)의 방향에 따라 신속하게(용이하게) 챔버(8)에 용이하게 유도된다. 그 결과, 동일 성막 챔버내에서 아크 성막과 스퍼터링 성막을 동시에 실시하는 경우, 방출 전자의 농도가 묽어져, 스퍼터링 가스나 반응성 가스와의 충돌이 적어지므로 가스의 이온화 효율이 낮아진다.For this reason, the magnetic field 10 (magnetic field line) in the same film-forming chamber 8 is in an open state (individual field structure), and the emission electrons from the evaporation source are quick to follow the direction of each magnetic field 10 (magnetic field line). Is easily guided to the chamber 8. As a result, when arc film formation and sputtering film formation are performed simultaneously in the same film formation chamber, the concentration of emitted electrons is reduced, so that collision with the sputtering gas and the reactive gas is reduced, so that the gas ionization efficiency is lowered.

따라서, 도 6의 비교예의 성막 장치의 경우, 양 증발원으로부터의 이온의 지향성이 완만해져서 기판에 대한 이온 조사량이 줄어, 피막 특성 또는 성막 효율을 저해할 가능성이 높아진다.Therefore, in the film forming apparatus of the comparative example of FIG. 6, the directivity of the ions from both evaporation sources is moderate, and the amount of ion irradiation to the substrate is reduced, which increases the possibility of impairing the film characteristics or the film forming efficiency.

(이온 조사 증가 효과의 뒷받침)(Backed by increased ion count)

도 5, 6에 나타낸 성막 장치를 이용하여 기판(1)에 흐르는 이온 전류를 측정하였다. 도 5의 본 발명의 성막 장치에서는 기판(1)에 흐르는 약 14 mA/cm2의 이온 전류가 얻어져, 기판(1)에 흐르는 이온 전류는 분명히 증가했다. 이에 반해, 도 6의 비교예의 성막 장치의 경우, 기판(1)에 흐르는 이온 전류는 그 반인 약 7 mA/cm2 정도밖에 되지 않아, 기판(1)에 흐르는 이온 전류는 증가하지 않았다. 이 결과로부터도, 본 발명의 성막 장치에서는 기판에 대한 이온 조사를 증가시켜, 보다 특성이 우수한 피막을 형성하는 것이 가능해진다는 것이 뒷받침된다.The ion current flowing through the substrate 1 was measured using the film forming apparatus shown in FIGS. 5 and 6. In the film-forming apparatus of this invention of FIG. 5, the ion current of about 14 mA / cm <2> flowing through the board | substrate 1 was obtained, and the ion current flowing to the board | substrate 1 clearly increased. In contrast, in the film forming apparatus of the comparative example of FIG. 6, the ion current flowing in the substrate 1 was about half that of about 7 mA / cm 2 , and the ion current flowing in the substrate 1 did not increase. Also from these results, it is supported by the film forming apparatus of the present invention that the ion irradiation to the substrate can be increased to form a film having better characteristics.

(성막 장치의 다른 실시태양)(Other Embodiments of Film Forming Apparatus)

다음으로 도 8을 이용하여, 본 발명의 성막 장치의 다른 실시태양을 설명한 다. 도 8에 나타낸 성막 장치에서는 도 5와 같이, 스퍼터링 증발원(2, 3)과 아크 증발원(5, 6)을 챔버(8)내에 원주상으로는 배치하지 않고 직렬적으로 교대로 배열한 예를 나타내고 있다. 각 증발원의 배열 방법은 반드시 직선적이 아니더라도 곡선적 등일 수도 있고, 각 증발원의 배열수도 자유롭게 선택할 수 있다.Next, another embodiment of the film forming apparatus of the present invention will be described with reference to FIG. 8. In the film forming apparatus shown in FIG. 8, as shown in FIG. 5, the sputtering evaporation sources 2 and 3 and the arc evaporation sources 5 and 6 are alternately arranged in series in the chamber 8 without being arranged circumferentially. The arrangement method of each evaporation source may be curved, etc., although it is not necessarily linear, and the number of arrangement of each evaporation source can also be selected freely.

도 8의 본 발명의 성막 장치의 경우도, 피처리체인 기판(1)이나 아크 증발원(5, 6)과 스퍼터링 증발원(2, 3)을 적절한 수단에 의해 상대적으로 이동시켜서, 기판(1)이 교대로 아크 증발원(5, 6)과 스퍼터링 증발원(2, 3) 앞을 통과하도록 하고 있다. 그리고, 챔버(8)내의 반응성 가스를 포함하는 분위기 중에서, 아크 증발원(5, 6)을 이용하여 경질 피막층의 성분을, 스퍼터링 증발원(2, 3)을 이용하여 경질 피막층의 성분을, 각각 증발시켜서, 경질 피막층과 경질 피막층을 교대로 또한 순차적으로 기판(1) 상에 적층시켜 목적 경질 피막을 형성한다.Also in the case of the film forming apparatus of the present invention shown in Fig. 8, the substrate 1, the arc evaporation sources 5 and 6 and the sputtering evaporation sources 2 and 3, which are the object to be processed, are relatively moved by appropriate means, so that the substrate 1 is moved. The arc evaporation sources 5 and 6 and the sputtering evaporation sources 2 and 3 are alternately passed. Then, in the atmosphere containing the reactive gas in the chamber 8, the components of the hard coat layer are evaporated using the arc evaporation sources 5 and 6, and the components of the hard coat layer are respectively evaporated using the sputtering evaporation sources 2 and 3, respectively. , The hard coating layer and the hard coating layer are alternately and sequentially laminated on the substrate 1 to form the desired hard coating.

그리고, 도 8의 본 발명의 성막 장치에 있어서도, 인접하는 양 증발원의 자장(10)끼리, 예컨대 아크 증발원(5)과 스퍼터링 증발원(2, 3)과의 자장(10)끼리가, 서로 연결된다. 즉, 성막 중에 인접하는 상기 증발원끼리의 자력선이 서로 이어지도록 상기 자장 인가 기구(4)가 구성되어 있다. 이 때문에, 동일 성막 챔버(8) 내의 자장(10)은 닫힌 상태(폐자장 기구)로 되어 있어, 상기 증발원으로부터의 방출 전자가 이 폐자장 구조내에 트랩되어, 기판(1)과 마찬가지로 애노드가 되는 챔버(8)에 용이하게 유도되지 않는다. 그 결과, 도 5의 본 발명의 성막 장치와 마찬가지로, 방출 전자의 농도가 높아지고, 스퍼터링 가스나 반응성 가스와의 충돌이 많아져, 고효율로 가스의 이온화를 실시할 수 있다.And also in the film-forming apparatus of this invention of FIG. 8, the magnetic fields 10 of both the adjacent evaporation sources, for example, the magnetic field 10 of the arc evaporation source 5 and the sputtering evaporation sources 2 and 3 are mutually connected. . That is, the magnetic field applying mechanism 4 is configured so that the lines of magnetic force between the evaporation sources adjacent to each other during film formation are connected to each other. For this reason, the magnetic field 10 in the same film-forming chamber 8 is in a closed state (closed magnetic field mechanism), and the emission electrons from the evaporation source are trapped in this closed magnetic field structure and become an anode as in the substrate 1. It is not easily guided to the chamber 8. As a result, similarly to the film forming apparatus of the present invention of FIG. 5, the concentration of emitted electrons increases, collisions with sputtering gas or reactive gas increase, and gas can be ionized with high efficiency.

(질소 분압)Nitrogen partial pressure

이상 설명한 도 5, 8 등의 본 발명의 성막 장치에 있어서, 상기 아크 증발원과 스퍼터링 증발원을 동시에 작동시켜 질소를 함유하는 경질 피막을 형성할 때에는, 스퍼터링 가스 중에 질소를 혼합시키는 동시에, 혼합한 질소의 분압을 0.5 Pa 이상으로 하는 것이 바람직하다.In the film forming apparatus of the present invention as described above with reference to FIGS. 5 and 8, when the arc evaporation source and the sputtering evaporation source are operated simultaneously to form a hard film containing nitrogen, nitrogen is mixed in the sputtering gas and the mixed nitrogen It is preferable to make partial pressure 0.5 Pa or more.

상기한 바와 같이, 아크에 의한 성막과, 스퍼터링에 의한 성막에서는 분위기가스 조건과 압력 조건이 크게 상이하다. 이 때문에, 상기한 K. H. Kim et al. Surf. Coat. Technol 등에 있어서는, 예컨대 TiSiN 등의 경질 피막을 아크 증발원과 스퍼터링 증발원을 동시에 작동시킴으로써 성막하는 경우에, 스퍼터링 가스가 되는 Ar과 질소 등의 반응 가스의 비를 3:1로 하고, 전체 압력을 0.08 Pa 정도로 하고, 질소의 분압을 0.02 Pa 정도로 하여 아크 증발원으로 Ti를, 스퍼터링 증발원으로 Si를 증발시켜 성막하고 있다.As described above, the atmospheric gas conditions and the pressure conditions differ greatly in the film formation by arc and the film formation by sputtering. For this reason, K. H. Kim et al. Surf. Coat. In Technol et al., For example, when a hard film such as TiSiN is formed by simultaneously operating an arc evaporation source and a sputtering evaporation source, the ratio of the reaction gas such as Ar and nitrogen, which becomes the sputtering gas, is 3: 1, and the total pressure is 0.08 Pa. The film is formed by evaporating Ti with an arc evaporation source and Si with a sputtering evaporation source with a partial pressure of nitrogen of about 0.02 Pa.

그러나, 이러한 조건에서 성막한 경우, 혼합시키는 질소의 분압이 너무 낮기 때문에, 경질 피막중으로의 질소의 첨가가 불충분해져, 경질 피막중의 거대입자(macroparticle)도 많아진다. 이 때문에, 치밀한 피막이 완성되기 어려워진다.However, when the film is formed under such conditions, since the partial pressure of nitrogen to be mixed is too low, the addition of nitrogen into the hard film is insufficient, and the macroparticles in the hard film also increase. For this reason, a dense film becomes difficult to complete.

이에 반해, 경질 피막중으로의 질소의 첨가를 충분히 하여, 경질 피막중의 거대입자 발생을 억제하여, 치밀하면서 표면 성상이 우수한 피막을 성막하기 위해서는, 스퍼터링 가스중에 혼합시키는 질소의 분압을 상기한 바와 같이 0.5 Pa 이상으로 하는 것이 바람직하다.On the other hand, in order to sufficiently add nitrogen to the hard film, to suppress the generation of large particles in the hard film, and to form a film having a high surface property with a high density, the partial pressure of nitrogen mixed in the sputtering gas is as described above. It is preferable to set it as 0.5 Pa or more.

이 질소 분압의 영향을, TiAlCrN의 경질 피막을 상기 도 3에 나타낸 성막 장 치를 이용하여, 아크 증발원과 스퍼터링 증발원을 동시에 작동시킴으로써 성막하는 경우에 대하여 조사했다. 아크 증발원으로 TiAl 합금(Ti 50:Al 50)을 증발시키면서, 동시에 스퍼터링 증발원으로 Cr를 증발시켜, 스퍼터링 가스가 되는 Ar과 반응 가스가 되는 질소의 비율(질소 분압)을 다양하게 변화시켜 형성하였다. 그리고, 각각의 예에 대하여, 경질 피막중의 질소 함유량(원자%), 경질 피막의 표면 조도(Ra)와 비커스 경도(Hv)를 측정하였다.The influence of this nitrogen partial pressure was investigated for the case where the hard film of TiAlCrN was formed by simultaneously operating the arc evaporation source and the sputtering evaporation source using the film forming apparatus shown in FIG. 3. The TiAl alloy (Ti 50: Al 50) was evaporated as the arc evaporation source, and Cr was evaporated at the same time as the sputtering evaporation source, and was formed by varying the ratio of nitrogen as the reactive gas and nitrogen as the reactive gas (nitrogen partial pressure). And about each example, nitrogen content (atomic%) in a hard film, the surface roughness (Ra), and the Vickers hardness (Hv) of a hard film were measured.

이들을 질소 분압과의 관계로 정리한 결과를 도 10 내지 12에 나타내었다. 도 10은 질소 분압과 경질 피막중의 질소 함유량과의 관계, 도 11은 질소 분압과 경질 피막의 표면 조도(Ra)와의 관계, 도 12는 질소 분압과 경질 피막의 비커스 경도와의 관계를 각각 나타낸다.The results of arranging these in relation to the nitrogen partial pressure are shown in FIGS. 10 to 12. 10 shows the relationship between the nitrogen partial pressure and the nitrogen content in the hard film, FIG. 11 shows the relationship between the nitrogen partial pressure and the surface roughness Ra of the hard film, and FIG. 12 shows the relationship between the nitrogen partial pressure and the Vickers hardness of the hard film, respectively. .

도 10으로부터 알 수 있는 바와 같이, 질소 분압 0.5 Pa를 경계로, 경질 피막중의 질소 함유량에는 명확한 차이가 있다. 즉, 질소 분압이 0.5 Pa 미만인 영역에서는 경질 피막중의 질소 함유량이 거의 단조로우면서 질소 분압이 0.5 Pa 이상인 영역에 비해 현저히 감소되었다. 이에 반해, 질소 분압이 0.5 Pa 이상인 영역에서는 경질 피막중의 질소 함유량은 안정하여 약 50 원자% 정도의 높은 수준을 유지하고 있다. As can be seen from FIG. 10, there is a clear difference in the nitrogen content in the hard film at a nitrogen partial pressure of 0.5 Pa. That is, in the region where the nitrogen partial pressure was less than 0.5 Pa, the nitrogen content in the hard coating was almost monotonous and was significantly reduced compared with the region where the nitrogen partial pressure was 0.5 Pa or more. In contrast, in the region where the nitrogen partial pressure is 0.5 Pa or more, the nitrogen content in the hard coating is stable, maintaining a high level of about 50 atomic%.

또한, 도 11로부터 알 수 있는 바와 같이, 질소 분압 0.5 Pa를 경계로, 경질 피막의 표면 조도(Ra)에도 명확한 차이가 있다. 즉, 질소 분압이 0.5 Pa 미만인 영역에서는 경질 피막의 표면 조도(Ra)가 약 0.38μm까지 급격히 상승하고 있다. 이에 반해, 질소 분압이 0.5 Pa 이상인 영역에서는 경질 피막의 표면 조도(Ra)는 거의 안정하여 0.1μm 이하의 낮은 수준을 유지하고 있다.As can be seen from FIG. 11, there is also a clear difference in the surface roughness Ra of the hard film at a nitrogen partial pressure of 0.5 Pa. That is, the surface roughness Ra of a hard film rises rapidly to about 0.38 micrometer in the area | region whose nitrogen partial pressure is less than 0.5 Pa. In contrast, in the region where the nitrogen partial pressure is 0.5 Pa or more, the surface roughness Ra of the hard film is almost stable, and is maintained at a low level of 0.1 m or less.

또한, 도 12로부터 알 수 있는 바와 같이, 질소 분압 0.5 Pa를 경계로, 경질 피막의 비커스 경도에도 명확한 차이가 있다. 즉, 질소 분압이 0.5 Pa 미만인 영역에서는 비커스 경도가 1100 Hv의 수준으로까지 현저히 감소되었다. 이에 반해, 질소 분압이 0.5 Pa 이상인 영역에서는 경질 피막의 비커스 경도는 안정하여 약 2500 Hv 정도의 높은 수준을 유지하고 있다.Moreover, as can be seen from FIG. 12, there is a clear difference in the Vickers hardness of the hard film at the nitrogen partial pressure of 0.5 Pa. That is, the Vickers hardness was significantly reduced to the level of 1100 Hv in the region where the nitrogen partial pressure was less than 0.5 Pa. On the other hand, in the region where nitrogen partial pressure is 0.5 Pa or more, the Vickers hardness of the hard film is stable and maintains a high level of about 2500 Hv.

이들 결과로부터, 경질 피막중으로의 질소의 첨가를 충분히 하여 경질 피막중의 거대입자 발생을 억제하여, 치밀하면서 표면 성상이 우수한 피막을 성막하기 위해, 스퍼터링 가스중에 혼합시키는 질소의 분압을 0.5 Pa 이상으로 하는 것의 의의를 알 수 있다. 또한, 이들 결과와 경향은 조사한 TiAlCrN 이외의 TiN이나 TiCN 또는 TiAlN 등의 다른 경질 피막에도 들어 맞는다.From these results, the partial pressure of nitrogen mixed in the sputtering gas is set to 0.5 Pa or more in order to sufficiently add nitrogen to the hard coating to suppress the generation of large particles in the hard coating and to form a film having a high surface quality with high density. You can see the meaning of doing. These results and trends also apply to other hard films such as TiN, TiCN, or TiAlN other than the investigated TiAlCrN.

(절연체 형성에 의한 이상 방전 문제)(Problem of abnormal discharge by insulator formation)

단지 상기한 질소 분압을 0.5 Pa 이상으로 하는 성막에 있어서, 동일 성막 챔버내에서 아크 성막과 스퍼터링 성막을 동시에 실시하는 경우, 스퍼터링 증발원에 사용하는 재료에 따라서는 다른 문제를 발생시킬 수 있다. 즉, 스퍼터링 타겟재가 반응 가스와 반응하여, 타겟재 표면에 절연체(절연물)를 발생시키고, 이 절연체에 의해 스퍼터링 증발원에서 이상 방전(아킹)이 발생할 가능성이 있다. 예컨대, 타겟재로서 Si를 이용하여, 이를 질소중에서 스퍼터링하는 경우에 Si가 질소와 반응하여 SiN의 절연체를 타겟재 표면에 형성하기 쉬워, 상기 이상 방전의 문제가 특히 발생하기 쉽다.In the film formation using only the above-mentioned nitrogen partial pressure of 0.5 Pa or more, when arc deposition and sputtering film formation are performed simultaneously in the same film formation chamber, different problems may occur depending on the material used for the sputtering evaporation source. In other words, the sputtering target material reacts with the reaction gas to generate an insulator (insulator) on the target material surface, and this insulator may cause abnormal discharge (arking) in the sputtering evaporation source. For example, when Si is used as a target material and sputtered in nitrogen, Si easily reacts with nitrogen to form an insulator of SiN on the surface of the target material, and the above abnormal discharge problem is particularly likely to occur.

또한, 이러한 절연물이 생기지 않는 경우나, 스퍼터링 타겟재가 반응 가스와 반응하여 타겟재 표면에 화합물이 발생한 경우에도, 이 표면의 화합물층에 의해 스퍼터링 증발원에서의 증발 속도가 저하될 가능성이 있다. 그리고, 이들 문제도 고효율로 가스의 이온화를 저해하는 요인이 된다.Moreover, even when such an insulator does not generate | occur | produce or when a sputtering target material reacts with a reaction gas and a compound generate | occur | produces on the surface of a target material, the evaporation rate in a sputtering evaporation source may fall by the compound layer of this surface. In addition, these problems also become a factor of inhibiting ionization of the gas with high efficiency.

종래에는 이러한 문제에 대해서 불활성의 스퍼터링 가스에 대한 질소 등의 반응 가스의 분압을 낮게 유지하고, 상기한 질소 등의 반응 가스와 스퍼터링 타겟재와의 반응을 억제하여, 스퍼터링 가스에 의한 타겟재의 스퍼터링이 우선적으로 발생하도록 했었다.Conventionally, in order to solve such a problem, the partial pressure of the reaction gas such as nitrogen to the inert sputtering gas is kept low, the reaction between the reaction gas such as nitrogen and the sputtering target material is suppressed, and the sputtering of the target material by the sputtering gas It was supposed to occur first.

상기한 K. H. Kim et al. Surf. Coat. Technol 등에 있어서, TiSiN 등의 경질 피막을 아크 증발원과 스퍼터링 증발원을 동시에 작동시킴으로써 성막하는 경우에, 상기한 바와 같이, 스퍼터링 가스가 되는 Ar 등에 대한 질소 등의 반응 가스의 분압을 낮게 했었던 것은 이 이유에 있기도 하다.K. H. Kim et al., Supra. Surf. Coat. In Technol et al., When a hard film such as TiSiN is formed by simultaneously operating an arc evaporation source and a sputtering evaporation source, it is for this reason that as described above, the partial pressure of the reaction gas such as nitrogen with respect to Ar or the like as the sputtering gas is lowered. There is also.

그러나, 상기한 바와 같이, 도 5나 도 6의 성막 장치를 이용하여 성막하는 경우에는 아크 성막과 스퍼터링 성막에서는 분위기의 조성과 압력 영역이 크게 다르다. 이 때문에, 비교적 높은 압력이 필요한 아크 증발원과, 스퍼터링 증발원을 동시에 작동시킴으로써 성막하는 경우에는 상기한 피막 성능으로 보더라도 스퍼터링 가스에 대한 질소 등의 반응 가스의 분압을 높일 필요가 있어, 상기한 문제의 발생 가능성이 높아진다.However, as described above, in the case of film formation using the film forming apparatus of FIG. 5 or 6, the composition of the atmosphere and the pressure region differ greatly in arc film formation and sputtering film formation. For this reason, when the film is formed by simultaneously operating the arc evaporation source and the sputtering evaporation source that require a relatively high pressure, it is necessary to increase the partial pressure of the reactive gas such as nitrogen to the sputtering gas, even in view of the above-described film performance. The chances are high.

(분위기 가스의 도입 방법) (Introduction method of atmosphere gas)

이 문제에 대해서는 성막중에, 스퍼터링 가스를 상기 스퍼터링 증발원 근방 으로부터 챔버내에 도입하고, 반응 가스를 상기 아크 증발원 근방으로부터 챔버내에 도입함으로써 대응할 수 있다. 이 태양을 도 9에 나타내었다. 도 9의 본 발명의 성막 장치의 기본적인 구성은 상기한 도 5와 동일하지만, 성막중에, 스퍼터링 가스를 상기 스퍼터링 증발원 근방으로부터 도입하고, 반응 가스를 상기 아크 증발원 근방으로부터 도입하는 점이 특징적이다.This problem can be dealt with during the film formation by introducing a sputtering gas into the chamber from the vicinity of the sputtering evaporation source and introducing a reaction gas into the chamber from the vicinity of the arc evaporation source. This aspect is shown in FIG. Although the basic structure of the film-forming apparatus of this invention of FIG. 9 is the same as that of FIG. 5 mentioned above, it is characteristic that during sputtering, sputtering gas is introduce | transduced from the said sputtering evaporation source vicinity, and the reaction gas is introduce | transduced from the said arc evaporation source vicinity.

보다 구체적으로, 도 9의 성막 장치는 성막중에, 스퍼터링 가스를 도관(12) 및 지관(12a, 12b)에 의해 상기 스퍼터링 증발원(3, 4) 근방으로부터 도입한다. 또한, 반응 가스를 도관(11) 및 지관(11a, 11b)에 의해 상기 아크 증발원(5, 6) 근방으로부터 도입한다.More specifically, the film forming apparatus of FIG. 9 introduces sputtering gas from the vicinity of the sputtering evaporation sources 3 and 4 by the conduit 12 and the branch pipes 12a and 12b during film formation. The reaction gas is also introduced from the vicinity of the arc evaporation sources 5 and 6 by the conduits 11 and the branch pipes 11a and 11b.

이에 따라, 스퍼터링 증발원(3, 4) 근방에 있어서는 불활성의 스퍼터링 가스에 대한 질소 등의 반응 가스의 분압을 낮게 유지하고, 상기한 질소 등의 반응 가스와 스퍼터링 타겟재와의 반응을 억제하여, 스퍼터링 가스에 의한 타겟재의 스퍼터링이 우선적으로 발생하도록 할 수 있다.Accordingly, in the vicinity of the sputtering evaporation sources 3 and 4, the partial pressure of the reaction gas such as nitrogen to the inert sputtering gas is kept low, and the reaction between the reactive gas such as nitrogen and the sputtering target material is suppressed, thereby sputtering Sputtering of the target material by gas can be made to occur preferentially.

한편으로, 챔버내의 전체 분위기 중의 스퍼터링 가스에 대한 반응 가스가 되는 질소의 비율(질소 분압)은 상기 피막 성능 향상 면에서 높일 수 있다. 또한, 아크 증발원(5, 6) 근방에 있어서는 아크에 의한 성막 조건에 따라 반응성 가스의 압력도 높일 수 있다. On the other hand, the ratio (nitrogen partial pressure) of nitrogen used as a reaction gas with respect to sputtering gas in the whole atmosphere in a chamber can be raised in the said film performance improvement. In addition, in the vicinity of the arc evaporation sources 5 and 6, the pressure of the reactive gas can also be increased depending on the film forming conditions by the arc.

이들 분위기 가스의 도입을, 상기한 도 5, 9 등의 자장 인가 기구와 조합하여 사용하거나, 또는 단독으로 사용하는 것에 의해서도, 불활성의 스퍼터링 가스에 질소 등의 반응 가스의 혼합이 생기기 어려워져, 이온화된 혼합 가스에 의해 타겟 표면으로 절연 피막이 형성되어 이상 방전이 생기는 문제가 억제된다. 이 때문에, 고효율로 가스의 이온화를 실시할 수 있다.Even when the introduction of these atmospheric gases is used in combination with the magnetic field applying mechanisms described above with reference to FIGS. 5 and 9 or used alone, mixing of reactive gases such as nitrogen in an inert sputtering gas is less likely to occur, resulting in ionization. The problem that the insulating film is formed on the target surface by the mixed gas thus formed and abnormal discharge occurs is suppressed. For this reason, gas can be ionized with high efficiency.

(자장 형성에 의한 이상 방전 문제)(Problem of abnormal discharge due to magnetic field formation)

또한, 스퍼터링 타겟에 있어서의 이상 방전은 상기한 질소 등의 반응 가스에 의한 타겟재 표면의 절연체 형성이 아닌, 다른 원인에 의해 발생하는 경우가 있다.In addition, abnormal discharge in a sputtering target may generate | occur | produce for another cause other than formation of the insulator of the surface of a target material by reaction gas, such as said nitrogen.

이는 상기한 자장 인가 기구(4) 등의 자장에 의한 스퍼터링 제어 특유의 문제라고도 할 수 있다. 도 13a, 13b를 이용하여 이 문제를 구체적으로 설명한다. 도 14a, 14b는 스퍼터링 증발원(2, 3)의 상세 구조를 나타내고, 도 13a는 스퍼터링 증발원(2, 3)에 있어서의 타겟재(20)만의 평면도, 도 13b는 스퍼터링 증발원(2, 3)의 정면도이다. 도 13b에 있어서, (4)는 자장 인가 기구, (13)은 타겟재(20)의 실드, (15)는 실드(13)의 그라운드 어스, (14)는 타겟재(20)의 백킹 플레이트, (16)은 스퍼터링 전원, (17)은 타겟재(20)를 세팅하는 지그이다.This can also be said to be a problem peculiar to sputtering control by a magnetic field such as the magnetic field applying mechanism 4 described above. This problem will be described in detail with reference to Figs. 13A and 13B. 14A and 14B show detailed structures of the sputtering evaporation sources 2 and 3, and FIG. 13A is a plan view of only the target material 20 in the sputtering evaporation sources 2 and 3, and FIG. 13B is a view of the sputtering evaporation sources 2 and 3. Front view. In Fig. 13B, reference numeral 4 denotes a magnetic field applying mechanism, 13 denotes a shield of the target material 20, 15 denotes a ground earth of the shield 13, 14 denotes a backing plate of the target material 20, Reference numeral 16 denotes a sputtering power supply and 17 a jig for setting the target material 20.

도 13b에 나타낸 바와 같이, 자장을 이용한 마그네트론 스퍼터링 증발원(2, 3)은 타겟재(20) 표면에 수평한 자장(10)을 형성하여, 상기한 바와 같이, 의도적으로 전자를 트랩하여, 전자 밀도를 높이고, 스퍼터링 가스의 이온화를 촉진하여 스퍼터링 효율을 높이고 있다.As shown in FIG. 13B, the magnetron sputtering evaporation sources 2 and 3 using the magnetic field form a horizontal magnetic field 10 on the surface of the target material 20, intentionally trapping electrons as described above, and thus the electron density. To increase the ionization of the sputtering gas to increase the sputtering efficiency.

이 경우, 도 13a에 나타낸 타겟재(20) 표면에 있어서, 에로젼 영역(21)과 비에로젼 영역(22)이 필연적으로 발생한다. 사선 부분인 에로젼 영역(21)은 스퍼터링 가스의 이온이 많이 발생하여 전자 밀도가 높아 스퍼터링이 우선적으로 진행된다. 이에 반해, 타겟재(20)의 중심부와 에로젼 영역(21)의 주연부의 비에로젼 영 역(22)에서는 거의 스퍼터링이 일어나지 않는다. 이 때문에, 비에로젼 영역(22)에서는 에로젼 영역(21)으로부터 스퍼터링된 입자가, 질소 등의 반응 가스와 반응, 결합하여 퇴적되기 쉽다. 이 때문에, 이 퇴적물이 타겟재 표면의 절연체(절연막)로 되어 이상 방전의 문제가 발생할 가능성이 있다.In this case, the erosion region 21 and the non-erosion region 22 inevitably occur on the target material 20 surface shown in FIG. 13A. In the erosion region 21, which is an oblique portion, a lot of ions of the sputtering gas are generated, so that the electron density is high, so that sputtering is preferentially performed. On the contrary, sputtering hardly occurs in the non-erosion region 22 of the center portion of the target material 20 and the peripheral portion of the erosion region 21. For this reason, in the non-erosion area | region 22, the particle | grains sputtered from the erosion area | region 21 react with the reaction gas, such as nitrogen, and are easy to deposit. For this reason, this deposit may become an insulator (insulating film) on the surface of the target material, which may cause a problem of abnormal discharge.

(스퍼터링 증발원) Sputtering Evaporation Source

이 문제에 대해서는 성막중에, 스퍼터링 증발원의 비에로젼 영역(22)에 전압이 걸리지 않도록 하는 것이 바람직하다.In order to solve this problem, it is preferable to prevent voltage from being applied to the non-erosion region 22 of the sputtering evaporation source during film formation.

이를 위한 하나의 수단으로서, 상기 스퍼터링 증발원의 상기 에로젼 영역(21) 이외의 비에로젼 영역의 부분에 전기적으로 절연체인 재료를 사용한다. 도 14a, 14b는 이 실시태양을 나타내며, 상기 도 13a, 13b와 장치의 기본 구성은 동일하다. 도 14a, 14b에 있어서, 타겟재(20)의 중심부와 에로젼 영역(21)의 주연부의 비에로젼 영역(23)에는 전기적으로 절연체인 재료를 사용하여, 절연체(23)로서 구성하고 있다. 이러한 재료로서는 스퍼터링 증발원에서의 발생열에 견딜 수 있는, 내열성을 갖는 BN(질화 붕소), 알루미나 등의 사용이 바람직하다.As one means for this, a material which is electrically insulated is used for the portion of the non-erosion region other than the erosion region 21 of the sputtering evaporation source. 14A and 14B illustrate this embodiment, and the basic configuration of the apparatus is the same as that of FIGS. 13A and 13B. In FIGS. 14A and 14B, the non-erosion region 23 at the center of the target material 20 and the periphery of the erosion region 21 is made of an insulator 23 using an electrically insulating material. . As such a material, use of heat resistance BN (boron nitride), alumina, etc. which can withstand the heat generated in the sputtering evaporation source is preferable.

도 15는 마찬가지로 비에로젼 영역에 전압이 걸리지 않도록 하기 위한 다른 수단으로서, 에로젼 영역 이외의 부분에, 스퍼터링 타겟의 전위에 대하여 플로팅 전위 또는 그라운드 전위가 되는 실드를 구비한 태양예를 게시하고 있다.FIG. 15 similarly discloses an example in which a non-erosion region is provided with a shield, which has a shield which becomes a floating potential or a ground potential with respect to the potential of the sputtering target in a portion other than the erosion region. have.

도 15a, 15b도 상기 도 13a, 13b와 장치의 기본 구성은 동일하다. 도 15a, 15b에 있어서, 타겟재(20)의 중심부의 비에로젼 영역(25)에는 플로팅 전위가 되는 실드를 구비하고 있다. 또한, 에로젼 영역(21)의 주연부의 비에로젼 영역(24)에는 그라운드 전위가 되는 (그라운드 어스(15)와 접속됨) 실드를 구비하고 있다.15A and 15B, the basic configuration of the apparatus is the same as that of FIGS. 13A and 13B. 15A and 15B, the non-erosion region 25 at the center of the target material 20 is provided with a shield that becomes a floating potential. In addition, the non-erosion region 24 at the periphery of the erosion region 21 is provided with a shield (connected with the ground earth 15) that becomes a ground potential.

비에로젼 영역(22)에 전압이 걸리지 않도록 하고 있는 상기한 구성의 도 9 및 도 10의 태양에서는 에로젼 영역(21)으로부터 스퍼터링된 입자가, 비에로젼 영역(23) 상에서, 질소 등의 반응 가스와 반응, 결합하여 퇴적되는 일이 없다. 따라서, 상기 이상 방전의 문제가 발생하는 것이 방지된다.In the aspects of Figs. 9 and 10 of the above-described configuration in which the non-erosion region 22 is not energized, particles sputtered from the erosion region 21 form nitrogen on the non-erosion region 23. It does not react and bond with reaction gases, such as these, and accumulate. Therefore, occurrence of the above abnormal discharge problem is prevented.

다음으로 본 제 1 내지 4 발명의 경질 적층 피막의 형성 방법에 대하여 설명한다. Next, the formation method of the hard laminated film of this 1st-4th invention is demonstrated.

우선 본 제 1 내지 4의 발명에 공통적인, 형성 방법에 있어서의 문제점 및 그 해결 수법에 대하여 설명한다.First, the problem in the formation method and its solution which are common to this invention of 1st-4th are demonstrated.

본 제 1 내지 4 발명의 경질 적층 피막을 형성하는 방법으로서는 예컨대, 도 3에 나타낸 바와 같이, 복수의 스퍼터링 증발원(2, 3)을 조합하여 기판(1) 상에 각 경질 피막층 A와 B를 각각 형성하는 방법이 있다. 이 경우, 예컨대, 스퍼터링 증발원(2)으로부터의 증발물(2a)로서 경질 피막층 A 성분을, 스퍼터링 증발원(3)으로부터의 증발물(3b)로서 경질 피막층 B 성분을, 기판(1) 상에 증착한다.As a method for forming the hard laminated film of the first to fourth inventions, for example, as shown in FIG. 3, each of the hard coat layers A and B is formed on the substrate 1 by combining a plurality of sputtering evaporation sources 2 and 3. There is a way to form. In this case, for example, the hard coat layer A component is deposited on the substrate 1 as the evaporate 2a from the sputtering evaporation source 2 and the hard coat layer B component is used as the evaporate 3b from the sputtering evaporation source 3. do.

또한, 도 4에 나타낸 바와 같이, 복수의 전자빔 증발원(5, 6)을 이용하여 기판(1) 상에 각 경질 피막층 A와 B를 각각 형성하는 방법이 있다. 형성하는 방법 등이 있다. 이 경우, 예컨대, 전자빔(7)에 의한 전자빔 증발원(5)으로부터의 증발물(5a)로서 경질 피막층 A 성분을, 전자빔(7)에 의한 전자빔 증발원(6)으로부터의 증발물(6b)로서 경질 피막층 B 성분을, 기판(1) 상에 증착한다.In addition, as shown in FIG. 4, there is a method of forming each of the hard coat layers A and B on the substrate 1 using the plurality of electron beam evaporation sources 5 and 6. Forming method; In this case, for example, the hard coat layer A component is used as the evaporate 5a from the electron beam evaporation source 5 by the electron beam 7 as the evaporate 6b from the electron beam evaporation source 6 by the electron beam 7. The coating layer B component is deposited on the substrate 1.

그러나, 본 발명에서는 상술한 도 5에 나타낸 바와 같이, 아크 증발원을 이 용하여 경질 피막층 A의 성분을, 스퍼터링 증발원을 이용하여 경질 피막층 B의 성분을, 각각 증발시켜, 반응성 가스를 포함하는 분위기 중에서 본 발명의 피막을 형성하는 방법이 가장 바람직하다. 이러한, 아크 증발원 및 스퍼터링 증발원을 조합하여 배치하고, 기판을 이들 아크 증발원 및 스퍼터링 증발원의 전면을 순차적으로 이동 내지 통과시켜 아크 증발원에 의해 경질 피막층 A의 성분을, 스퍼터링 증발원에 의해 경질 피막층 B의 성분을, 교대로 또한 순차적으로 기판상에 적층시키는 피막 형성 방법은 상기 도 3, 4의 피막 형성 방법에 비해 다음의 이점이 있다.However, in the present invention, as shown in FIG. 5 described above, the components of the hard coat layer A are evaporated using the arc evaporation source, and the components of the hard coat layer B are respectively evaporated using the sputtering evaporation source and viewed in an atmosphere containing a reactive gas. The method of forming the film of this invention is the most preferable. The arc evaporation source and the sputtering evaporation source are arranged in combination, and the substrate is sequentially moved or passed through these arc evaporation source and the sputtering evaporation source, so that the components of the hard coating layer A by the arc evaporation source and the components of the hard coating layer B by the sputtering evaporation source. The film forming method of laminating alternately and sequentially on a substrate has the following advantages over the film forming methods of FIGS. 3 and 4 above.

특히, 아크 증발은 스퍼터링 증발에 비해 성막 속도가 빠르다. 이 때문에, 아크 증발원에 의해 경질 피막층 A의 성분을 성막함으로써, 층 B의 5배 정도 이상의 막 두께가 필요한 층 A를 고속으로 성막할 수 있다. 또한, 스퍼터링 증발원은 아크 증발원보다 성막 속도의 조정이 용이하고, 매우 작은 투입 전력(예컨대 0.1 kW)으로 작동하기 때문에 층 B 등의 박막의 피막층의 두께를 정확히 제어할 수 있는 특성이 있다. In particular, arc evaporation has a faster deposition rate than sputter evaporation. For this reason, by depositing the components of the hard coat layer A by the arc evaporation source, it is possible to form the layer A which requires a film thickness of about five times or more that of the layer B at high speed. In addition, since the sputtering evaporation source is easier to adjust the deposition rate than the arc evaporation source and operates with a very small input power (for example, 0.1 kW), the sputtering evaporation source has a characteristic of accurately controlling the thickness of the film layer of the thin film such as layer B.

또한, 이들 아크 증발과 스퍼터링 증발과의 특성을 조합시킴으로써 아크 증발원 및 스퍼터링 증발원의 투입 전력의 비에 의해, 층 A와 층 B의 두께의 비율을 바람직한 범위로 설정한 후에, 기판의 회전수(회동 속도, 이동 속도)를 변화시킴으로써 임의로 층 A+층 B의 반복의 주기를 결정할 수 있다. 또한, 층 A의 두께를, (즉, 본 제 1 내지 3의 발명에 있어서는 결정 입자 직경을) 임의로 설정할 수 있다.In addition, by combining the characteristics of these arc evaporation and sputtering evaporation, the ratio of the thickness of the layer A and the layer B is set in a preferable range by the ratio of the input power of the arc evaporation source and the sputtering evaporation source, and then the rotation speed of the substrate (rotation) Speed, movement speed) can be arbitrarily determined for the repetition period of the layer A + layer B. In addition, the thickness of the layer A can be arbitrarily set (that is, the crystal grain diameter in the present invention of the first to the third).

본 제 1 발명의 경질 적층 피막의 형성 방법(성막 방법)에 대하여 이하에 실 시태양을 설명한다.The actual embodiment will be described below with respect to the method of forming the hard laminated film of the first invention (film formation method).

도 5의 장치를 이용하는 것이 바람직한 이유를, 층 A로서 TiN, 층 B로서 SiN으로 한 경우를 예로 하여 설명한다. 상기 도 3에 나타낸 스퍼터링 증발원(2, 3)의 조합의 경우, 방법으로서는 TiN 및 SiN을 타겟으로 사용하는 경우와, Ti, Si를 타겟으로 하여 스퍼터링 가스의 Ar과 반응성 가스의 질소의 혼합 가스 분위기 중에서 교대로 스퍼터링을 실시하는 방법을 생각할 수 있다. 각 층 A와 B와의 두께는 각각의 스퍼터링 증발원의 작동 시간 또는 전면에 있는 셔터를 이용하여 성막 시간을 제어함으로써 가능하다. 그러나, 스퍼터링법에서는 성막 속도가 느리기 때문에, 층 B의 5배 정도의 막 두께가 필요한 층 A를 형성하는 데 시간이 걸려 효율적이라고는 할 수 없다.The reason why it is preferable to use the apparatus of FIG. 5 is demonstrated using the case where TiN is used as layer A and SiN is used as layer B as an example. In the case of the combination of the sputtering evaporation sources 2 and 3 shown in FIG. 3, a method of using TiN and SiN as a target and a mixed gas atmosphere of Ar of a sputtering gas and nitrogen of a reactive gas using Ti and Si as targets The method of performing sputtering alternately can be considered. The thickness of each of the layers A and B is possible by controlling the deposition time using the operating time of the respective sputtering evaporation source or the shutter in front. However, in the sputtering method, since the film formation speed is slow, it takes time to form the layer A, which requires about five times the film thickness of the layer B, and is not efficient.

또한, 상기 도 4에 나타낸 전자빔 증발을 이용한 경우에는 Ti, Si를 각각 전자빔 증발원(5, 6)에 용해시켜 각 층 A와 B를 형성한다. 전자빔법에서는 전자빔 증발원(5, 6)(도가니) 내의 증발 재료의 잔량에 의해 증발 속도가 변화되기 때문에 각각의 층의 막 두께 제어가 곤란하다.In the case where the electron beam evaporation shown in Fig. 4 is used, Ti and Si are dissolved in the electron beam evaporation sources 5 and 6, respectively, to form layers A and B, respectively. In the electron beam method, since the evaporation rate is changed by the remaining amount of evaporation material in the electron beam evaporation sources 5 and 6 (the crucible), it is difficult to control the film thickness of each layer.

그리고, 챔버(8) 내의 반응성 가스를 포함하는 분위기 중에서, 아크 증발원(5, 6)을 이용하여 경질 피막층 A의 성분을, 스퍼터링 증발원(2, 3)을 이용하여 경질 피막층 B의 성분을, 각각 증발시켜, 교대로 또한 순차적으로 기판(1) 상에 적층시켜, 본 발명의 경질 피막을 형성한다. Then, in the atmosphere containing the reactive gas in the chamber 8, the components of the hard coat layer A using the arc evaporation sources 5 and 6 and the components of the hard coat layer B using the sputtering evaporation sources 2 and 3, respectively. By evaporation, they are alternately and sequentially laminated on the substrate 1 to form the hard film of the present invention.

층 A로서 TiN, 층 B로서 SiN으로 한 경우를 예로 들면, 본 발명에서는 층 A의 성분인 Ti를 아크 증발원(5, 6)으로 증발시키고, 층 B의 성분인 Si를 스퍼터링 증발원(2, 3)으로 증발시킨다. 그리고, 스퍼터링 가스인 Ar+반응 가스인 질소중에서 성막을 실시하고, 상기한 바와 같이, 기판(1)을 회동시켜 기판이 교대로 아크 증발원 및 스퍼터링 증발원의 앞을 통과하도록 함으로써 TiN과 SiN을, 교대로 또한 순차적으로 기판상에 적층시켜, 본 발명의 TiN+SiN의 적층 구조 경질 피막을 용이하게 형성할 수 있다.For example, when TiN is used as the layer A and SiN is used as the layer B, in the present invention, Ti, which is a component of the layer A, is evaporated to the arc evaporation sources 5 and 6, and Si, which is a component of the layer B, is sputtered. Evaporated). Then, film formation is performed in nitrogen, which is an Ar + reaction gas, which is a sputtering gas, and as described above, the substrate 1 is rotated so that the substrates alternately pass in front of the arc evaporation source and the sputtering evaporation source, thereby alternately transferring TiN and SiN. Furthermore, it can be laminated | stacked on the board | substrate sequentially, and the laminated structure hard film of TiN + SiN of this invention can be formed easily.

다음으로 본 제 2 발명의 경질 적층 피막의 형성 방법(성막 방법)에 대하여 이하에 실시태양을 설명한다.Next, embodiment is demonstrated below about the formation method (film formation method) of the hard laminated film of this 2nd invention.

추장되는 본 제 2 발명의 경질 적층 피막의 형성 방법은 자장 인가 기구를 갖는 아크 증발원 및 스퍼터링 증발원을 각각 1대 이상 구비한 성막 장치(도 5 참조; 이하, "복합 성막 장치"라 함)를 이용하여, Ar, Ne, Xe 등의 스퍼터링 가스와 질소, 메테인, 아세틸렌, 산소 등의 반응 가스와의 혼합 가스중에 있어서, 기판을 회전시키면서 층 A의 구성 성분을 아크 증발원으로, 층 B의 구성 성분을 스퍼터링 증발원으로 교대로 증발시켜 반응성 성막을 실시함으로써, 층 A 및 층 B를 교대로 적층하는 방법이다. 이와 같이 층 A와 층 B로 증발원의 방식을 바꾸는 이유는 상술한 바와 같다.The method for forming the hard laminated film of the present invention, which is recommended, uses a film forming apparatus (see Fig. 5; hereafter referred to as "composite film forming apparatus") provided with at least one arc evaporation source and a sputtering evaporation source each having a magnetic field applying mechanism. In a mixed gas of sputtering gases such as Ar, Ne, and Xe and reactive gases such as nitrogen, methane, acetylene, and oxygen, the component of layer A is the arc evaporation source and the component of layer B while rotating the substrate. Is a method of alternately laminating layers A and B by alternately evaporating to a sputtering evaporation source to effect reactive film formation. The reason for changing the method of the evaporation source to the layers A and B is as described above.

또한, 층 B로서 (B, N), (Si, C, N) 또는 (C, N)으로 이루어진 층을 형성할 때에 B, BN, B4C, Si, C 타겟 등을 사용하여 성막해야 하지만, B 및 BN은 절연성 물질로 아크 증발원에서는 방전이 일어나지 않기 때문에 성막할 수 없고, 또한 B4 C, Si, C는 전도성 물질이기는 하지만 방전이 안정되지 않기 때문에 아크 증발원으로 는 성막이 곤란하다.In addition, when forming a layer made of (B, N), (Si, C, N) or (C, N) as the layer B, it is necessary to form a film using a B, BN, B 4 C, Si, C target or the like. , B and BN are insulative materials and cannot be formed because no discharge occurs in the arc evaporation source. Also, B 4 C, Si, and C are conductive materials, but they are difficult to form as arc evaporation sources because the discharge is not stable.

한편, 층 A, 층 B의 성막의 양쪽 모두 스퍼터링 증발원을 이용한 경우에는 스퍼터링 증발원은 아크 증발원과 달리 낮은 투입 전력에서도 작동하지만, 성막 속도가 아크 증발원에 비해 느릴 뿐더러, 형성된 피막의 경도 등도 아크 증발원에 비해 떨어진다.On the other hand, when both sputtering evaporation sources are used for the deposition of layers A and B, the sputtering evaporation source operates at low input power, unlike the arc evaporation source, but the deposition rate is slower than that of the arc evaporation source, and the hardness of the formed film is also applied to the arc evaporation source. Falls compared

따라서, 본 실시태양에서는 층 A의 형성에는 아크 증발원에서 타겟으로서 Cr 또는 CrX(여기서, X는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Al 및 Si로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 원소)를 사용하고, 층 B의 형성에는 스퍼터링 증발원에서 B, BN, B4C, Si 또는 C 타겟을 사용하여, 스퍼터링 가스와 반응성 가스의 혼합 가스중에서 기판을 회전시키면서 층 A와 층 B를 교대로 적층하여 성막하는 것을 바람직한 형태로 한다.Therefore, in the present embodiment, the formation of layer A includes Cr or CrX (where X is Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Al and Si) as a target in the arc evaporation source. Or two or more elements) and B, BN, B 4 C, Si, or C targets are used in the sputtering evaporation source to form layer B, while rotating the substrate in a mixed gas of sputtering gas and reactive gas. The layer B is laminated alternately to form a film.

또한, B, BN 타겟을 사용하는 경우에는 전도성이 없기 때문에 스퍼터링 증발원으로서는 RF 스퍼터링 방식을 사용하지만, B4C, Si, C 타겟을 사용하는 경우에는 전도성을 갖기 때문에 스퍼터링 증발원으로서는 DC, RF 양 방식을 모두 사용할 수 있다.In the case of using the B and BN targets, the sputtering evaporation source uses the RF sputtering method because there is no conductivity. However, when the B 4 C, Si, and C targets are used, the sputtering evaporation source is the DC and RF both methods. You can use both.

또한, 층 A를 형성할 때에 금속 Cr 또는 CrX(여기서, X는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Al 및 Si로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 원소)뿐 아니라 B, C, O, N의 어느 1종 이상의 원소를 첨가한 타겟을 이용하여 Cr(B, C, O, N)이나 (Cr, X)(B, C, O, N)를 형성하는 것도 가능하다.Further, when forming layer A, metal Cr or CrX (where X is one or two or more elements selected from the group consisting of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Al, and Si) In addition, Cr (B, C, O, N) or (Cr, X) (B, C, O, N) is formed by using a target to which at least one element of B, C, O, or N is added. It is also possible.

성막시에 있어서의 스퍼터링 가스와 반응 가스로 이루어진 혼합 가스중의 반응 가스의 분압은 0.6 Pa 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1 Pa 이상이다. 혼합 가스의 전체 압력은 특별히 제한되지는 않지만, 반응 가스와 거의 등량의 스퍼터링 가스를 투입한다고 생각하면 1 Pa 이상이 표준이 된다. 단, 고압력하에서는 스퍼터링 증발원, 아크 증발원 모두 이상 방전이 생기기 쉽기 때문에 5 Pa 이하가 표준이 된다.It is preferable that the partial pressure of the reaction gas in the mixed gas which consists of sputtering gas and reaction gas at the time of film-forming is 0.6 Pa or more, More preferably, it is 1 Pa or more. Although the total pressure of the mixed gas is not particularly limited, it is 1 Pa or more as a standard when considering that the sputtering gas of the reaction gas and almost the same amount is added. However, under high pressure, since the sputtering evaporation source and the arc evaporation source tend to cause abnormal discharges, 5 Pa or less is the standard.

다음으로 본 제 3 발명의 경질 적층 피막의 형성 방법(성막 방법)에 대하여 이하에 실시태양을 설명한다.Next, embodiment is demonstrated below about the formation method (film formation method) of the hard laminated film of this 3rd invention.

본 제 3 발명에서도 상술한 도 5에 나타낸 바와 같이, 아크 증발원 및 스퍼터링 증발원을 동일 진공 용기내에 각각 1대 이상 구비된 성막 장치를 이용하여, 반응 가스를 포함하는 성막 분위기 중에서, 아크 증발원과 스퍼터링 증발원을 동시에 작동시킴으로써 아크 증발원으로부터 층 A의 성분을, 또한, 스퍼터링 증발원으로부터 층 B의 성분을 각각 증발시키는 동시에, 기판을 상기 각 증발원에 대하여 상대적으로 이동시켜, 기판상에 층 A와 층 B를 교대로 적층하는 방법이 가장 바람직하다.In the third aspect of the present invention, as shown in FIG. 5 described above, the arc evaporation source and the sputtering evaporation source are formed in a film formation atmosphere containing a reactive gas by using a film deposition apparatus including one or more arc evaporation sources and sputtering evaporation sources in the same vacuum container. Simultaneously operating the components of layer A from the arc evaporation source and the components of layer B from the sputtering evaporation source, while moving the substrate relative to each of the evaporation sources, thereby altering layers A and B on the substrate. The method of lamination is most preferred.

그 이유의 하나는 상술한 스퍼터링법의 성막 속도가 느리기 때문이다. 또한, 층 B는 상기 화학식 2 내지 5와 같이, B, Si, C, Cu를 주체로 하고 있다. 이 때문에, 이들 원소를 주체로 하는 타겟(예컨대 순 Si, B4C, C)은 아크 방전에서는 방전이 매우 불안정한 문제가 있다. 또한, 아크 방전시의 열부하에 의해, 이들 타 겟이 깨어지는 등의 문제도 있다. 또한, Cu 타겟은 아크 방전에서의 증발로 다량의 용융 액적(거대입자)을 방출하는 경향이 있다. 따라서, 이들 층 B용 타겟의 특성 면에서도 층 B의 성막을 스퍼터링 증발원에 의해 실시하는 것이 바람직하다.One reason for this is that the film formation speed of the above-mentioned sputtering method is slow. In addition, the layer B mainly has B, Si, C, and Cu as in the said Formula (2-5). For this reason, targets mainly composed of these elements (such as pure Si, B 4 C, and C) have a problem that the discharge is very unstable in arc discharge. In addition, there is a problem that these targets are broken by the heat load during arc discharge. In addition, Cu targets tend to release a large amount of molten droplets (macroparticles) by evaporation in an arc discharge. Therefore, it is preferable to perform film-forming of layer B by sputtering evaporation source also in the characteristic of these targets for layer B.

층 A로서 TiAlN, 층 B로서 BCN으로 한 경우를 예로 하면, 본 발명에서는 층 A의 성분인 Ti, Al을 아크 증발원(5, 6)으로 증발시키고, 층 B의 성분인 B, C를 스퍼터링원(2, 3)으로 증발시킨다. 그리고, 스퍼터링 가스인 Ar+반응 가스인 질소중에서 성막을 실시하고, 상기한 바와 같이, 기판(1)을 회동시켜, 기판이 교대로 아크 증발원 및 스퍼터링 증발원의 앞을 통과하도록 함으로써, TiAlN과 BCN을, 교대로 또한 순차적으로 기판상에 적층시켜서 본 발명의 적층 구조의 경질 피막을 용이하게 형성할 수 있다.In the case where TiAlN is used as the layer A and BCN is used as the layer B, in the present invention, Ti and Al, which are components of the layer A, are evaporated to the arc evaporation sources 5 and 6, and B and C, which are components of the layer B, are sputtered. Evaporate to (2, 3). Then, film formation is carried out in nitrogen, which is an Ar + reaction gas, which is a sputtering gas, and as described above, the substrate 1 is rotated so that the substrates alternately pass in front of the arc evaporation source and the sputtering evaporation source. By alternately and sequentially laminating on the substrate, the hard film of the laminated structure of the present invention can be easily formed.

이상 설명한 본 제 3 발명의 성막 방법에 있어서, 상기 아크 증발원과 스퍼터링 증발원을 동시에 작동시켜 질소를 함유하는 경질 피막을 형성할 때에는, 상기 성막 분위기를, 질소, 메테인, 아세틸렌 등의 반응성 가스(반응 가스)와, Ar(아르곤), Ne(네온), Xe(제논) 등의 스퍼터링용 불활성 가스와의 혼합 가스로 한다.In the film forming method of the third invention described above, when the arc evaporation source and the sputtering evaporation source are operated at the same time to form a hard film containing nitrogen, the film forming atmosphere is formed by a reactive gas such as nitrogen, methane, acetylene (reaction). Gas) and an inert gas for sputtering such as Ar (argon), Ne (neon), Xe (xenon), and the like.

그리고, 혼합한 반응성 가스의 분압을 0.5 Pa 이상으로 하는 것이 바람직하다. 혼합시키는 반응성 가스의 분압이 0.5 Pa 미만으로 낮은 조건에서 성막한 경우, 경질 피막내로의 질소 등의 첨가가 불충분해져, 경질 피막중의 거대 입자도 많아진다. 이 때문에, 치밀한 피막이 완성되기 어려워진다.And it is preferable to make the partial pressure of the mixed reactive gas into 0.5 Pa or more. When the film is formed under a condition where the partial pressure of the reactive gases to be mixed is less than 0.5 Pa, addition of nitrogen or the like into the hard film is insufficient, and large particles in the hard film also increase. For this reason, a dense film becomes difficult to complete.

이에 반해, 경질 피막내로의 질소의 첨가를 충분히 하여, 경질 피막내의 거대입자 발생을 억제하여, 치밀하면서 표면 성상이 우수한 피막을 성막하기 위해서 는 스퍼터링 가스중에 혼합시키는 반응성 가스의 분압을, 상기한 바와 같이, 0.5 Pa 이상으로 하는 것이 바람직하다.On the other hand, in order to sufficiently add nitrogen into the hard film, to suppress the generation of large particles in the hard film, and to form a film having a dense and excellent surface property, the partial pressure of the reactive gas mixed in the sputtering gas is determined as described above. Similarly, it is preferable to set it as 0.5 Pa or more.

다음으로 본 제 4 발명의 경질 적층 피막의 형성 방법(성막 방법)에 대하여 이하에 실시태양을 설명한다.Next, embodiment is demonstrated below about the formation method (film formation method) of the hard laminated film of this 4th invention.

본 제 4 발명에서도 상술한 도 5에 나타낸 바와 같이, 아크 증발원 및 스퍼터링 증발원을 동일 진공 용기내에 각각 1대 이상 구비한 성막 장치를 이용하여, 반응 가스를 포함하는 성막 분위기 중에서, 아크 증발원과 스퍼터링 증발원을 동시에 작동시킴으로써 아크 증발원으로부터 층 A의 성분을, 또한, 스퍼터링 증발원으로부터 층 B의 성분을 각각 증발시키는 동시에, 기판을 상기 각 증발원에 대하여 상대적으로 이동시켜, 기판상에 층 A와 층 B를 교대로 적층하는 방법이 가장 바람직하다.In the fourth aspect of the present invention, as shown in FIG. 5 described above, the arc evaporation source and the sputtering evaporation source are formed in a film formation atmosphere containing a reactive gas by using a film formation apparatus including one or more arc evaporation sources and sputtering evaporation sources in the same vacuum vessel. Simultaneously operating the components of layer A from the arc evaporation source and the components of layer B from the sputtering evaporation source, while moving the substrate relative to each of the evaporation sources, thereby altering layers A and B on the substrate. The method of lamination is most preferred.

그 이유의 하나는 스퍼터링법의 성막 속도가 느리기 때문이다. 상기한 복수의 스퍼터링 증발원만을 이용하여, 기판상에 층 A와 B를 각각 형성하는 경우, 각 층 A와 B와의 두께는 각각의 스퍼터링 증발원의 작동 시간 또는 전면에 있는 셔터를 이용하여 성막 시간을 제어함으로써 가능하다. 그러나, 스퍼터링법에서는 성막 속도가 느리기 때문에, 층 B의 2배 이상의 막 두께가 필요한 층 A를 형성하는 데 시간이 걸려 효율적이라고는 할 수 없다.One reason for this is that the deposition rate of the sputtering method is slow. When each of the layers A and B is formed on the substrate using only the plurality of sputtering evaporation sources described above, the thickness of each of the layers A and B is determined by the operation time of each sputtering evaporation source or the deposition time using the shutter on the front surface. It is possible by controlling. However, in the sputtering method, since the film formation rate is slow, it takes time to form the layer A which requires twice the film thickness of the layer B and is not efficient.

또한, 층 B는 상기 화학식 7의 조성과 같이, W, Mo, V, N을 포함하며, 이들 원소를 주체로 하는 타겟은 고융점으로, 아크 방전에서는 전압의 상승에 의해 방전이 불안정해질 가능성이 있다. 이 점에서도, 층 B의 성막을 스퍼터링 증발원에 의 해 실시하고, 층 A의 성막을 아크 증발원에 의해 실시하는 것이 바람직하다.In addition, the layer B contains W, Mo, V, and N, as in the composition of Formula 7, wherein the target mainly containing these elements is a high melting point, and in arc discharge, the discharge may become unstable due to the increase in voltage. have. Also from this point of view, it is preferable to perform the film formation of the layer B by the sputtering evaporation source and to perform the film formation of the layer A by the arc evaporation source.

층 A로서 TiAlN, 층 B로서 WN으로 한 경우를 예로 하면, 본 발명에서는 층 A의 성분인 Ti, Al을 아크 증발원(5, 6)으로 증발시키고, 층 B의 성분인 W를 스퍼터링 증발원(2, 3)으로 증발시킨다. 그리고, 스퍼터링 가스인 Ar+반응 가스인 질소중에서 성막을 실시하고, 상기한 바와 같이, 기판(1)을 회동시켜, 기판이 교대로 아크 증발원 및 스퍼터링 증발원의 앞을 통과하도록 함으로써 TiAlN과 WN을, 교대로 또한 순차적으로 기판상에 적층시켜, 본 발명의 적층 구조의 경질 피막을 용이하게 형성할 수 있다. In the case where TiAlN is used as the layer A and WN is used as the layer B, in the present invention, Ti and Al, which are components of the layer A, are evaporated to the arc evaporation sources 5 and 6, and W, which is a component of the layer B, is sputtered and evaporated (2). , 3). Then, film formation is performed in nitrogen, which is an Ar + reaction gas, which is a sputtering gas, and as described above, the substrate 1 is rotated to alternately pass TiAlN and WN by alternately passing the arc evaporation source and the sputtering evaporation source. In addition, by sequentially laminating on the substrate, it is possible to easily form a hard film of the laminated structure of the present invention.

(반응 가스 분압)(Reaction gas partial pressure)

이상 설명한 본 제 4 발명의 성막 방법에 있어서, 상기 아크 증발원과 스퍼터링 증발원을 동시에 작동시켜, 질소를 함유하는 경질 피막을 형성할 때에는 상기 성막 분위기를, 질소, 메테인, 아세틸렌 등의 반응성 가스(반응 가스)와, Ar(아르곤), Ne(네온), Xe(제논) 등의 스퍼터링용 불활성 가스와의 혼합 가스로 한다.In the film forming method of the fourth invention described above, when the arc evaporation source and the sputtering evaporation source are operated at the same time to form a hard film containing nitrogen, the film forming atmosphere is formed by a reactive gas such as nitrogen, methane, acetylene (reaction). Gas) and an inert gas for sputtering such as Ar (argon), Ne (neon), Xe (xenon), and the like.

그리고, 혼합한 반응성 가스의 분압을 0.5 Pa 이상으로 하는 것이 바람직하다. 혼합시키는 반응성 가스의 분압이 0.5 Pa 미만의 낮은 조건에서 성막한 경우, 경질 피막내로의 질소 등의 첨가가 불충분해져, 경질 피막내의 거대입자도 많아진다. 이 때문에, 치밀한 피막을 할 수 없게 된다.And it is preferable to make the partial pressure of the mixed reactive gas into 0.5 Pa or more. In the case where the partial pressure of the reactive gas to be mixed is formed under a low condition of less than 0.5 Pa, addition of nitrogen or the like into the hard film becomes insufficient, and large particles in the hard film also increase. For this reason, a dense film cannot be formed.

이에 반해, 경질 피막내로의 질소의 첨가를 충분히 하여, 경질 피막내의 거대입자 발생을 억제하여, 치밀하면서 표면 성상이 우수한 피막을 성막하기 위해서는 스퍼터링 가스중에 혼합시키는 반응성 가스의 분압을, 상기한 바와 같이, 0.5 Pa 이상으로 하는 것이 바람직하다.On the other hand, in order to sufficiently add nitrogen into the hard film, to suppress the generation of large particles in the hard film, and to form a film having a high surface property with a high density, the partial pressure of the reactive gas mixed in the sputtering gas is as described above. It is preferable to set it as 0.5 Pa or more.

(실시예)(Example)

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 물론 하기 실시예에 의해 제한을 받는 것은 아니며, 전·후기의 취지에 적합할 수 있는 범위에서 적당히 변경을 가하여 실시하는 것도 물론 가능하고, 이들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다. 우선 본 제 1 발명의 실시예에 대하여 설명한다.Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated further more concretely, this invention is not restrict | limited by the following example of course, Of course, it implements by changing suitably in the range which may be suitable for the meaning of the previous and the later. Possible, these are all included in the technical scope of the present invention. First, the embodiment of the first invention will be described.

실시예 1-1Example 1-1

층 B의 결정 구조의 영향을 이하에 조사하였다. 즉, 층 A로서 결정 구조가 입방정 암염형 구조인 재료를 선택하고, 층 B로서 결정 구조가 동일 입방정 암염형 구조인 재료나, 상이한 결정 구조를 갖는 재료를 선택한 경우의, 결정립의 미세화 효과의 유무를 확인하였다.The influence of the crystal structure of layer B was investigated below. That is, the presence or absence of the refinement | miniaturization effect of a crystal grain when selecting the material whose crystal structure is a cubic rock salt-type structure as layer A, and the material whose crystal structure is the same cubic rock salt-type structure or the material which has a different crystal structure as layer B is selected. It was confirmed.

구체적으로는 상기 도 3에 나타낸 2원의 스퍼터링 증발원(2, 3)을 갖는 스퍼터링 성막 장치를 이용하여, 표 1에 나타내는 적층 구조를 갖는 피막을 형성하였다. 기판(1)으로서는 경도 측정용의 초경합금(표면을 경면 연마한 것)을 이용하였다. 이 기판을 상기 도 3의 장치에 도입한 후, 기판 온도를 400 내지 500℃ 정도로 가열하면서, 3×10-3 Pa 이하의 진공으로 배기하고, Ar 이온에 의한 클리닝(압력 0.6 Pa, 기판 전압 500V, 처리 시간 5분)을 실시한 후 순차적으로 성막을 실시하였다.Specifically, the film which has a laminated structure shown in Table 1 was formed using the sputtering film-forming apparatus which has the binary sputtering evaporation sources 2 and 3 shown in the said FIG. As the board | substrate 1, the cemented carbide (hardened surface was polished) for hardness measurement was used. After introducing this substrate into the apparatus of FIG. 3, while heating the substrate temperature to about 400 to 500 ° C, the substrate was evacuated to a vacuum of 3 x 10 &lt; -3 &gt; Pa or less, and cleaned with Ar ions (pressure 0.6 Pa, substrate voltage 500 V). , Treatment time 5 minutes), and subsequently, film formation was performed.

이 성막시에, 금속막을 형성하는 경우에는 순 Ar 분위기 중에서, 질화물을 형성하는 경우에는 Ar과 질소의 혼합 가스(혼합비 65:35) 분위기 중에서, 탄질화물의 경우에는 Ar과 질소와 메테인의 혼합 가스(혼합비 65:30:5) 분위기 중에서, 전체 압력은 0.6 Pa로 일정하게 하여 각각 성막하였다.At the time of film formation, in the case of forming a metal film, in a pure Ar atmosphere, in the case of forming a nitride, in a mixed gas of Ar and nitrogen (mixing ratio 65:35), in the case of carbonitride, Ar, nitrogen, and methane are mixed. In the gas (mixing ratio 65: 30: 5) atmosphere, the total pressure was constant at 0.6 Pa to form a film.

층 A와 층 B의 두께는 각각의 스퍼터링 증발원(2, 3)을 작동시키는 시간으로 조절했지만, 층 A의 두께는 50nm, 층 B의 두께는 10nm으로 일정하게 하고, 층 A와 층 B와의 반복(적층 단위)을 합계로 50층 적층하여 약 3000nm 두께의 피막을 형성하였다. 성막 후의 공시재에 관하여 피막의 단면을 45000배의 TEM 관찰을 실시하고, 상기 도 1에 보이는 바와 같은 결정립의 미세화 효과의 유무를 확인하였다. 그리고, 이 효과가 있는 경우에는 ○, 효과가 없는 경우에는 ×로 평가하였다. 이들 결과를 표 1에 나타내었다.The thickness of layer A and layer B was adjusted to the time to operate each sputtering evaporation source (2, 3), but the thickness of layer A was constant at 50 nm, the thickness of layer B was 10 nm, and the repetition of layer A and layer B was repeated. A total of 50 layers (lamination units) were laminated to form a film having a thickness of about 3000 nm. The TEM observation of the cross section of the film was carried out 45000 times about the test material after film-forming, and the presence or absence of the refinement | miniaturization effect of a crystal grain as shown in FIG. 1 was confirmed. And when there existed this effect, (circle) and when there was no effect, it evaluated by x. These results are shown in Table 1.

표 1에 나타낸 바와 같이, 번호 1 내지 4의 비교예의 경우, 층 A로서 결정 구조가 입방정 암염형 구조인 재료를 선택하고 있긴 하지만, 층 B로서 마찬가지로 결정 구조가 입방정 암염형 구조인 재료를 선택하고 있다. 이 때문에, 층 A와 층 B 사이에서 결정립 성장의 분단은 발생하지 않고, 결정립은 연속적으로 성장하고 있어, 결정립의 미세화 효과가 없음이 확인되었다.As shown in Table 1, in the comparative examples of Nos. 1 to 4, although a material having a crystal structure of cubic rock salt structure was selected as layer A, a material having a crystal structure of cubic rock salt structure was similarly selected as layer B. have. For this reason, the division of grain growth does not occur between layer A and layer B, crystal grains are growing continuously, and it was confirmed that there is no refinement | miniaturization effect of a crystal grain.

이에 반해, 번호 5 내지 13의 발명예의 경우, 층 B로서, 층 A와 상이한 결정 구조를 갖는 재료를 선택한 경우, 상기 도 1에 보이는 바와 같이, 층 A, B 사이에서 결정은 연속적으로 성장하고 있지 않고, 결과적으로 층 A의 결정립은 층 A의 두께 정도(50nm)까지 미세화되어 있었다. 또한, 비교예 4의 층 B에 이용한 AlN은 육방정 B4형 구조가 안정한 재료이지만, 본 실시예와 같이, 암염형 구조의 층 A의 재 료와 적층한 경우, 형성된 피막내에서는 AlN층은 암염형 구조로 되어, 층 A의 결정립 미세화의 효과는 보이지 않았다.On the other hand, in the case of the invention examples of Nos. 5 to 13, when a material having a crystal structure different from that of the layer A was selected as the layer B, as shown in FIG. 1, the crystals are not continuously grown between the layers A and B. As a result, the crystal grains of the layer A were refined to the thickness of the layer A (50 nm). In addition, although AlN used for the layer B of the comparative example 4 is a material with a stable hexagonal B4 type structure, when lamination | stacking with the material of the layer A of the rock salt type structure like this Example, in the formed film, the AlN layer will rock salt. It became a mold structure, and the effect of grain refinement of layer A was not seen.

이상의 결과로부터, 입방정 암염형 구조의 층 A로 이루어진 적층 구조 경질 피막을 성막할 때에는, 층 B로서 입방정 암염형 구조의 층 A와 상이한 결정 구조를 갖는 재료를 선택하지 않으면, 결정립의 미세화 효과가 없음이 확인되었다.From the above results, when forming a laminated structure hard film composed of the layer A of the cubic rock salt structure, there is no effect of miniaturization of crystal grains unless a material having a crystal structure different from that of the layer A of the cubic rock salt structure is selected as the layer B. This was confirmed.

실시예 1-2Example 1-2

이 실시예 1-1의 결과를 기초로, 층 B의 결정 구조의 영향을 더욱 상세하게 조사하였다. 즉, 층 A로서 TiAlN, CrN, TiN 등의 암염 입방정 구조의 경질 피막 재료를 선택하고, 층 B로서 Cu, Co, SiN, BN 등의 암염 입방정 구조 이외의 결정 구조를 갖는 재료나, CrN, MoN, WN, TaN, AlN 등의 암염 입방정 구조를 갖는 재료를 선택한 경우, 또는 층 B를 구비하지 않는 경우의, 결정립의 미세화 효과의 유무와 피막 경도를 확인하였다.Based on the result of this Example 1-1, the influence of the crystal structure of layer B was investigated in more detail. That is, as a layer A, a hard coating material having a rock salt cubic structure such as TiAlN, CrN, TiN, etc. is selected, and as a layer B, a material having a crystal structure other than a rock salt cubic structure such as Cu, Co, SiN, BN, CrN, MoN When the material which has rock salt cubic crystal structures, such as WN, TaN, and AlN, was selected, or when layer B is not provided, the presence or absence of the refinement | miniaturization effect of a crystal grain, and the film hardness were confirmed.

구체적으로는 상기 도 3에 나타내는 2원의 스퍼터링 증발원(2, 3)을 갖는 스퍼터링 성막 장치 및 상기 도 5에 나타내는 아크와 스퍼터링과의 복합 성막 장치를 병용하여, 표 2에 나타내는 적층 구조를 갖는 피막을 형성하였다. 기판으로서는 실시예 1-1과 동일 경도 측정용의 초경합금(경면 연마)을 사용하였다. 상기 양 장치 모두 기판을 장치에 도입한 후, 기판 온도를 400 내지 500℃ 정도로 가열하면서, 3×10-3 Pa 이하의 진공으로 배기하고, Ar 이온에 의한 클리닝(압력 0.6 Pa, 기판 전압 500V, 처리 시간 5분)을 실시한 후 각 성막을 실시하였다.Specifically, the film which has a laminated structure shown in Table 2 using the sputtering film-forming apparatus which has the binary sputtering evaporation source 2 and 3 shown in the said FIG. 3, and the composite film-forming apparatus of the arc and sputtering shown in the said FIG. Formed. As a board | substrate, the cemented carbide (mirror polishing) for hardness measurement similar to Example 1-1 was used. After both devices introduced the substrate into the device, the substrate temperature was heated to about 400 to 500 ° C., and then evacuated to a vacuum of 3 × 10 −3 Pa or less, followed by cleaning with Ar ions (pressure 0.6 Pa, substrate voltage 500 V, After 5 minutes of treatment time), each film formation was performed.

도 3에 나타내는 스퍼터링 성막 장치의 경우에는 성막시에 질화물을 형성하는 경우에는 Ar과 질소의 혼합 가스(혼합비 65:35) 분위기 중에서, 탄질화물의 경우에는 Ar과 질소와 메테인의 혼합 가스(혼합비 65:30:5) 분위기 중에서, 전체 압력 0.6 Pa로 하여 성막하고, 층 A와 층 B의 두께는 각각의 증발원을 작동시키는 시간으로 조절하였다.In the case of the sputtering film forming apparatus shown in Fig. 3, in the case of forming nitride at the time of film formation, in the mixed gas of Ar and nitrogen (mixing ratio 65:35), in the case of carbonitride, the mixed gas of Ar, nitrogen and methane (mixing ratio) 65: 30: 5) In the atmosphere, the film was formed at a total pressure of 0.6 Pa, and the thicknesses of the layers A and B were adjusted by the time for operating each evaporation source.

도 5에 나타내는 복합 성막 장치의 경우에는 성막시에 질화물을 형성하는 경우에는 Ar과 질소의 혼합 가스(혼합비 50:50) 분위기 중에서, 탄질화물의 경우에는 Ar과 질소와 메테인의 혼합 가스(혼합비 50:45:5) 분위기 중에서, 전체 압력 2.66 Pa로 하여 성막하였다. 층 A와 층 B의 두께는 각 증발원에 투입하는 전력비로 결정하고, 층 A+층 B의 두께의 비율은 기판의 회전 주기로 결정하였다. 막 두께는 거의 3μm로 일정하게 하였다. 또한 층 A는 아크 증발원에서, 층 B는 스퍼터링 증발원에서 형성하였다.In the composite film forming apparatus shown in Fig. 5, in the case of forming a nitride at the time of film formation, in a mixed gas of Ar and nitrogen (mixing ratio 50:50), in the case of carbonitride, a mixed gas of Ar, nitrogen, and methane (mixing ratio) 50: 45: 5) In the atmosphere, the film was formed at a total pressure of 2.66 Pa. The thickness of the layer A and the layer B was determined by the power ratio put into each evaporation source, and the ratio of the thickness of the layer A + layer B was determined by the rotation period of the substrate. The film thickness was made constant at almost 3 μm. In addition, layer A was formed in the arc evaporation source, and layer B was formed in the sputtering evaporation source.

형성한 피막의 기계적 특성의 경도 평가는 마이크로비커스 경도계(하중 25 gf)로 측정하였다. 또한, 층 A, 층 B의 결정 구조는 피막 단면의 45000배의 TEM 관찰로 해석하고, 층 A, 층 B의 막 두께 및 결정립의 크기를 단면 TEM 상으로부터 결정하여, 층 A의 결정립 미세화의 효과의 유무를 실시예 1-1과 동일하게 평가하였다. 이들 평가 결과를 표 2에 나타내었다.Evaluation of the hardness of the mechanical properties of the formed film was measured by a MicroVickers hardness tester (load 25 gf). In addition, the crystal structure of layer A and layer B is interpreted by TEM observation of 45000 times the cross section of a film, and the film thickness and the size of crystal grains of layer A and layer B are determined from the cross-sectional TEM image, and the effect of grain refinement of layer A The presence or absence of was evaluated in the same manner as in Example 1-1. These evaluation results are shown in Table 2.

표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 발명예 20, 21, 24 내지 27, 29와 같이, 층 A로서 TiAlN, CrN, TiN 등의 암염 입방정 구조의 경질 피막 재료를 선택하고, 층 B로서 Cu, Co, SiN, BN 등의 암염 입방정 구조 이외의 결정 구조를 갖는 재료를 선택한 경우만, 결정립의 미세화 효과 및 그에 따른 피막 경도의 현저한 증가가 보인다.As can be seen from Table 2, as inventive examples 20, 21, 24 to 27, 29, a hard coat material having a rock salt cubic structure such as TiAlN, CrN, TiN, etc. was selected as the layer A, and Cu, Co was used as the layer B. Only when a material having a crystal structure other than rock salt cubic structures such as SiN and BN is selected, the micronized effect of the grains and a significant increase in the film hardness are observed.

이에 반해, 비교예 14 내지 19와 같이 층 B를 구비하지 않은 경우, 비교예 22, 23, 28과 같이 층 B로서 암염 입방정 구조를 갖는 재료를 선택한 경우, 결정립의 미세화 효과가 없고, 피막 경도도 비교적 낮다.On the other hand, when the layer B is not provided as in Comparative Examples 14 to 19, when the material having the rock salt cubic structure is selected as the layer B as in Comparative Examples 22, 23 and 28, there is no effect of miniaturization of crystal grains and the film hardness. Relatively low.

실시예 1-3Example 1-3

다음으로 암염 입방정 구조 이외의 결정 구조를 갖는 재료로 이루어진 층 B의 두께의, 층 A에 대한 결정립의 미세화 효과에 대한 영향에 대하여 조사하였다.Next, the influence of the thickness of the layer B made of a material having a crystal structure other than the rock salt cubic crystal structure on the micronized effect of the grains on the layer A was investigated.

성막 장치로서 상기 실시예 1-2와 동일한 스퍼터링 장치 및 복합 성막 장치를 사용하여, 동일 조건에서 공시재를 제작하였다. 층 A로서는 암염형 입방정 구조를 갖는 재료의 대표로서 고경도를 갖는 (Ti0.5Al0.5)N, CrN 및 TiN을 선택하고, 층 B로서 SiN, BN 및 Cu를 선택하였다. SiN, BN 및 Cu의 층의 형성에는 각각 Si, B4C 및 Cu 타겟을 사용하였다.As a film-forming apparatus, the test material was produced on the same conditions using the same sputtering apparatus and composite film-forming apparatus as Example 1-2. As the layer A, (Ti 0.5 Al 0.5 ) N, CrN and TiN having high hardness were selected as representative of the material having a rock salt cubic structure, and SiN, BN and Cu were selected as the layer B. Si, B 4 C and Cu targets were used for the formation of the layers of SiN, BN and Cu, respectively.

그리고, 층 A의 두께를 30nm으로 일정하게 하고, 층 B의 두께를 0.2 내지 100nm의 범위로 변화시켜, 결정립의 미세화 효과에 대한 층 B의 두께의 영향을 조사하였다. 성막후의 공시재에 대해서는 실시예 1-2와 마찬가지로, 경도 측정 및 단면 TEM에 의한 결정립의 미세화의 유무를 확인하였다. 이들 결과를 표 3에 나타내었다.And the thickness of layer A was made constant at 30 nm, the thickness of layer B was changed to the range of 0.2-100 nm, and the influence of the thickness of layer B on the refinement | miniaturization effect of a crystal grain was investigated. About the test material after film-forming, the presence or absence of refinement | miniaturization of the crystal grain by hardness measurement and sectional TEM was confirmed similarly to Example 1-2. These results are shown in Table 3.

표 3에 있어서의, 층 B의 두께 이외의 조건이 동일한, 번호 30 내지 36, 37 내지 43, 44 내지 50의 각 그룹내에서의 비교에 있어서, 각 그룹의 어느 경우에 있어서도, 층 B의 두께가 0.5nm보다 작은 0.2nm인, 번호 30, 37, 44의 예의 경우, 결정립의 미세화는 발생하지 않았다. 이 때문에, 층 B의 두께는 최저라도 이 0.2nm을 초과하는, 0.5nm 정도 이상의 두께를 갖는 것이 바람직하다.In the comparison in each group of numbers 30-36, 37-43, 44-50 which conditions other than the thickness of layer B in Table 3 are the same, the thickness of layer B also in any case of each group In the case of the examples of Nos. 30, 37, and 44, where is 0.2 nm smaller than 0.5 nm, refinement of grains did not occur. For this reason, it is preferable that the thickness of the layer B has a thickness of about 0.5 nm or more that exceeds this 0.2 nm at least.

또한, 표 3에 있어서, 반대로 층 A에 대한 층 B의 두께가, 층 A 두께의 1/2를 초과하여 상대적으로 큰, 번호 35, 36, 또는 42, 43, 또는 49, 50의 경우, 형성된 피막 전체의 특성으로서 층 B의 특성이 지배적이 된다. 그 결과, 각 그룹내의 층 A에 대한 층 B의 두께가 비교적 작은 예인, 31 내지 34, 또는 38 내지 41, 또는 45 내지 48과의 비교에 있어서, 현저한 경도 증가의 효과가 보이지 않게 된다. 따라서 층 B의 두께는 층 A 두께의 1/2 이하가 바람직함을 알 수 있다.In addition, in Table 3, on the contrary, in the case of No. 35, 36, or 42, 43, or 49, 50, the thickness of layer B relative to layer A is relatively greater than 1/2 of the layer A thickness. As the characteristic of the entire coating, the characteristic of the layer B becomes dominant. As a result, in comparison with 31 to 34, or 38 to 41, or 45 to 48, which is an example in which the thickness of the layer B with respect to the layer A in each group is relatively small, no significant increase in hardness is seen. Therefore, it can be seen that the thickness of the layer B is preferably 1/2 or less of the thickness of the layer A.

실시예 1-4Example 1-4

다음으로 층 A의 두께의, 경질 피막의 결정립 미세화나 경도에 대한 영향을 조사하였다.Next, the influence of the thickness of the layer A on the grain refinement and hardness of the hard film was investigated.

성막 장치로서는 실시예 1-2에서 사용한 도 5의 복합 성막 장치를 이용하고, 층 A로서 (Ti0.5Al0.5)N, 층 B로서 SiN을 실시예 1-2와 동일한 조건에서 형성하였다. 층 B의 두께를 2nm로 일정하게 하고, 층 A의 두께를 1 내지 300nm의 범위에서 변화시킨 공시재를 작성하였다. 공시재에 대해서는 실시예 1-2와 마찬가지로, 경도 측정 및 단면 TEM에 의한 결정립의 미세화를 확인하였다. 이들의 평가 결과를 표 4에 나타내었다.As the film-forming apparatus, the composite film-forming apparatus of FIG. 5 used in Example 1-2 was used and (Ti 0.5 Al 0.5 ) N as layer A and SiN as layer B were formed on the same conditions as Example 1-2. The test material which made the thickness of the layer B constant at 2 nm, and changed the thickness of the layer A in the range of 1-300 nm was created. About the test material, the refinement | miniaturization of the crystal grain by the hardness measurement and the cross-sectional TEM was confirmed similarly to Example 1-2. The evaluation results thereof are shown in Table 4.

표 4로부터, 층 A의 두께가, 층 B의 두께 2nm에 대하여 1nm으로 얇은 번호 51의 예의 경우, 피막 전체로서 층 B의 특성이 지배적이게 되어, 결정립은 미세화되지만, 다른 번호 52 내지 55 등의 예에 비해 경도는 반대로 저하되었다. 한편, 층 A의 두께가 200nm을 초과하는 번호 53의 예의 경우, 결정립 미세화 효과가 없고, 결정립의 크기가 종래품에 가까워지기 때문에, 경도는 거의 종래품과 동등해진다. 따라서, 층 A의 두께는 2 내지 200nm의 범위로 하는 것이 바람직하다.From Table 4, in the case of the example of No. 51 where the thickness of the layer A was thin at 1 nm with respect to the thickness of the layer B of 2 nm, the characteristics of the layer B became dominant as the entire film, and the grains were refined, but other numbers 52 to 55 and the like were obtained. Compared with the example, hardness fell in reverse. On the other hand, in the case of the example of No. 53 where the thickness of the layer A exceeds 200 nm, there is no grain refinement effect, and since the size of a crystal grain approaches a conventional product, hardness becomes substantially equivalent to a conventional product. Therefore, the thickness of the layer A is preferably in the range of 2 to 200 nm.

실시예 1-5Example 1-5

다음으로 층 B로서 선택하는 재료의 종류에 따른 내산화성 향상 효과를, 경질 피막의 산화 개시 온도에 의해 조사하였다.Next, the oxidation resistance improvement effect according to the kind of material selected as layer B was investigated by the oxidation start temperature of a hard film.

성막 장치로서는 상기 실시예 1-2에서도 사용한 도 5의 복합 성막 장치를 이용하고, 층 A로서 (Ti0.5Al0.5)N을, 층 B로서 SiN, BN, MoN 및 Ti를 백금박(0.1mm 두께)에 형성하였다. 층 A 및 층 B의 막 두께는 30 및 2nm으로 일정하게 하고, 층 A+층 B의 단위로 합계 약 90층의 적층을 하여 피막을 형성하였다.As the film-forming apparatus, the composite film-forming apparatus of FIG. 5 used also in the said Example 1-2 was used, (Ti 0.5 Al 0.5 ) N as layer A, and SiN, BN, MoN, and Ti as layer B was platinum foil (0.1 mm thickness). Formed). The film thickness of layer A and layer B was made constant at 30 and 2 nm, laminated | stacked about 90 layers in total by the unit of layer A + layer B, and formed the film.

형성한 피막에 대하여 1000℃까지의 온도 범위에서 산화증량을 측정하여 내산화성을 조사하였다. 내산화성의 조사에는 열천칭을 사용하여, 건조 공기중에서 4℃/분의 승온 속도로 1000℃까지 가열하여, 산화에 의한 중량 증가로부터 산화 개시 온도를 결정하였다. 이들의 평가 결과를 표 5에 나타내었다.Oxidation increase was measured in the temperature range up to 1000 degreeC with respect to the formed film, and oxidation resistance was investigated. Thermal balance was used for irradiation of oxidation resistance, and it heated to 1000 degreeC in the drying air at the temperature increase rate of 4 degree-C / min, and the oxidation start temperature was determined from the weight increase by oxidation. These evaluation results are shown in Table 5.

표 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 층 B로서 SiN 및 BN을 선택한 발명예 58, 59의 경우, 층 B를 구비하지 않는 종래재 상당의 비교예 57이나, 암염형 결정 구조 의 비교예 60의 산화 개시 온도 850℃에 대하여, 900℃까지 산화 개시 온도가 증가하였다. 따라서, 본 발명의 피막 구조에, 층 B로서 SiN 및 BN을 선택한 경우, SiN, BN은 경도를 증가시킬 뿐 아니라 내산화성도 향상시킴을 알 수 있다. 또한, 층 B로서 Ti를 선택한 발명예 61은 층 A의 결정립 미세화 효과는 있지만, 산화 개시 온도는 비교적 낮다.As can be seen from Table 5, in the case of Inventive Examples 58 and 59 in which SiN and BN were selected as the layer B, the oxidation of the comparative example 57 corresponding to the conventional material without the layer B or the comparative example 60 of the rock salt crystal structure For the onset temperature of 850 ° C, the oxidation onset temperature increased to 900 ° C. Therefore, when SiN and BN were selected as the layer B in the film structure of the present invention, it can be seen that SiN and BN not only increase the hardness but also improve the oxidation resistance. In addition, inventive example 61 in which Ti was selected as the layer B has a grain refinement effect of the layer A, but the oxidation start temperature is relatively low.

실시예 1-6Example 1-6

다음으로 성막 조건의 차이로서, 아크 증발원 및 스퍼터링 증발원의 자력선을 연결한 경우와, 각각의 증발원의 자력선이 연결되지 않는 경우, 각각에서 피막을 형성한 경우의 영향을 조사하였다. 성막은 지금까지의 실시예와 동일한 요령으로, 층 A로서 (Ti0.5Al0.5)N, CrN을 30nm, 층 B로서 SiN, BN을 3nm, 층 A+층 B의 단위로 합계 약 90층의 적층으로 형성하였다.Next, as a difference in the film forming conditions, the effects of the case where the magnetic lines of the arc evaporation source and the sputtering evaporation source were connected, and the magnetic lines of the respective evaporation sources were not connected, were formed. The film formation was carried out in the same manner as in the previous examples, with a layer of (Ti 0.5 Al 0.5 ) N as a layer A, 30 nm as CrN, SiN, BN as a layer B as 3 nm, and a total of about 90 layers in a layer A + layer B. Formed.

이 성막에는 도 5의 복합 성막 장치를 이용했지만, 비교를 위해 도 5의 아크 증발원 및 스퍼터링 증발원의 자력선끼리를 연결한 배치, 및 도 6의 이들 각각의 증발원의 자력선끼리가 연결되지 않는 배치로 각각 성막하여, 그 특성을 비교 조사하였다. 이들 평가 결과를 표 6에 나타내었다. 또한, 도 5와 도 6의 장치와의 성막 조건은 실시예 1-2의 도 5의 장치의 성막 조건과 동일 조건으로 하였다.Although the complex film-forming apparatus of FIG. 5 was used for this film-forming, the arrangement which connected the magnetic lines of the arc evaporation source and the sputtering evaporation source of FIG. 5 for comparison, and the arrangement which does not connect the magnetic lines of each of these evaporation sources of FIG. It formed into a film and the characteristic was compared and investigated. These evaluation results are shown in Table 6. In addition, film-forming conditions with the apparatus of FIG. 5 and FIG. 6 were made into the same conditions as the film-forming conditions of the apparatus of FIG. 5 of Example 1-2.

표 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 자력선끼리를 연결한(도 5의) 경우의 번호 62, 64의 예는 자력선끼리를 연결하지 않은(도 6의) 경우의 번호 63, 65의 예에 비해(62와 63끼리, 64와 65끼리), 내산화성에 관하여 특성은 거의 동등하지만, 경도가 높다. 이들 결과로부터, 도 5와 같이, 자력선끼리를 연결한 성막 쪽이 이온 밀도의 증가에 의해 보다 고경도의 피막이 형성 가능함을 알 수 있다.As can be seen from Table 6, the examples of numbers 62 and 64 in the case where magnetic lines are connected to each other (in Fig. 5) are compared with the examples in numbers 63 and 65 in the case where the lines are not connected to each other (in Fig. 6). 62 and 63, 64 and 65), the properties are almost the same in terms of oxidation resistance, but the hardness is high. From these results, as shown in FIG. 5, it can be seen that a film having a higher hardness can be formed by increasing the ion density in the film forming side connecting the magnetic lines of force.

Figure 112005006154982-PAT00001
Figure 112005006154982-PAT00001

Figure 112005006154982-PAT00002
Figure 112005006154982-PAT00002

Figure 112005006154982-PAT00003
Figure 112005006154982-PAT00003

Figure 112005006154982-PAT00004
Figure 112005006154982-PAT00004

Figure 112005006154982-PAT00005
Figure 112005006154982-PAT00005

Figure 112005006154982-PAT00006
Figure 112005006154982-PAT00006

다음으로 본 제 2 발명의 실시예에 대하여 설명한다.Next, the Example of this 2nd invention is described.

실시예 2-1Example 2-1

도 3에 도시한 2대의 스퍼터링 증발원을 구비한 스퍼터링 성막 장치 또는 도 5에 도시한 스퍼터링 증발원 및 아크 증발원을 각각 2대 구비한 복합 성막 장치를 이용하여 표 7에 도시한 적층 구조를 갖는 피막을 형성하였다.A film having a laminated structure shown in Table 7 was formed by using a sputtering film deposition apparatus having two sputtering evaporation sources shown in FIG. 3 or a composite film formation apparatus having two sputtering evaporation sources and two arc evaporation sources shown in FIG. 5. It was.

기판으로서는 경도 측정용의 초경합금(경면 연마)을 이용하였다. 스퍼터링 성막 장치, 복합 성막 장치 중 어떠한 성막 장치를 이용하는 경우라도, 기판을 장치내에 장입하여 가열하고, 기판 온도를 400 내지 500℃ 정도로 유지하면서, 3×10-3 Pa 이하의 진공 상태가 될 때까지 배기하고, Ar 이온에 의한 클리닝(압력 0.6 Pa, 기판 전압 500V, 처리 시간 5분)을 실시한 후, 성막을 실시하였다.As a substrate, a cemented carbide (mirror polishing) for hardness measurement was used. Even when using any of the sputtering film forming apparatuses and the composite film forming apparatuses, the substrate is charged into the apparatus and heated, and the substrate temperature is maintained at about 400 to 500 ° C. until the vacuum state is 3 × 10 −3 Pa or less. After exhausting and cleaning with Ar ions (pressure 0.6 Pa, substrate voltage 500V, processing time 5 minutes), film formation was performed.

스퍼터링 성막 장치를 이용하는 경우, 성막시에 금속막을 형성하는 경우에는 순 Ar 분위기 중에서, 질화물을 형성하는 경우에는 Ar과 질소의 혼합 가스(용적 혼합비 65:35) 분위기 중에서, 탄질화물을 형성하는 경우에는 Ar와 질소와 메테인의 혼합 가스(용적 혼합비 65:30:5) 분위기 중에서, 전체 압력 0.6 Pa의 조건하에서 성막하고, 층 A와 층 B의 두께는 각각의 증발원을 작동시키는 시간을 변경함으로써 조정하였다. 타겟에는 금속 Cr 및 B를 사용하였다.In the case of using a sputtering film forming apparatus, in the case of forming a metal film during film formation, in the case of forming a carbon nitride in a pure Ar atmosphere in the case of forming a nitride, in a mixed gas (volume mixing ratio 65:35) atmosphere of Ar and nitrogen In an atmosphere of a mixed gas of Ar, nitrogen, and methane (volume mixing ratio 65: 30: 5), the film is formed under the condition of a total pressure of 0.6 Pa, and the thicknesses of the layers A and B are adjusted by changing the time for operating each evaporation source. It was. Metal Cr and B were used for the target.

복합 성막 장치를 이용하는 경우에는 Ar과 질소의 혼합 가스(용적 혼합비 50:50), 탄질화물의 경우 Ar와 질소와 메테인의 혼합 가스(용적 혼합비 50:45:5), 전체 압력 2.66 Pa의 조건하에서 성막하고, 층 A와 층 B의 막 두께비는 각 증발원으로의 투입 전력의 비율에 의해 조절하고, 층 A 및 층 B의 두께는 기판의 회전 속도에 의해 조절하였다.In the case of using a composite film forming apparatus, a mixed gas of Ar and nitrogen (volume mixing ratio 50:50), a carbon mixed gas of Ar, nitrogen and methane (volume mixing ratio 50: 45: 5), and a total pressure of 2.66 Pa It formed into a film underneath, and the film thickness ratio of layer A and layer B was adjusted by the ratio of the input electric power to each evaporation source, and the thickness of layer A and layer B was adjusted by the rotation speed of a board | substrate.

형성되는 피막의 전체 두께는 거의 3μm로 일정하게 하였다. 또한, 층 A는 아크 증발원에서, 층 B는 스퍼터링 증발원에서 형성하였다. 타겟으로서는 아크 증 발원에는 금속 Cr을, 스퍼터링 증발원에는 전도성의 B4C를 사용하였다.The total thickness of the formed film was made constant at nearly 3 micrometers. In addition, layer A was formed at the arc evaporation source and layer B was formed at the sputtering evaporation source. As a target, metal Cr was used for the arc evaporation source and conductive B 4 C was used for the sputtering evaporation source.

우선, 스퍼터링 성막 장치, 복합 성막 장치 각각을 이용하고, 층 A를 CrN, 층 B를 B0.45C0.1N0.45의 조성으로 하고, 층 A의 두께를 30nm로 일정하게 하고, 층 B의 두께를 0.2 내지 50nm의 범위에서 다양하게 변화시켜 성막을 실시하였다(시험 번호 2 내지 7, 9 내지 14). 또한, 비교를 위해 종래법으로서 층 A만의 성막도 실시하였다(시험 번호 1, 8).First, using the sputtering film forming apparatus and the composite film forming apparatus, respectively, the layer A is made of CrN, the layer B is made of B 0.45 C 0.1 N 0.45 , the thickness of the layer A is constant at 30 nm, and the thickness of the layer B is 0.2 The film formation was carried out with various changes in the range of from 50 nm (test numbers 2 to 7, 9 to 14). For comparison, film formation of only layer A was also performed as a conventional method (test numbers 1 and 8).

또한, 복합 성막 장치만을 이용하여, 층 A를 Cr2N의 조성으로 변경하여, 상기와 동일한 조건에 의해 성막을 실시하였다(시험번호 15 내지 21).Moreover, using only a composite film-forming device, by changing the layer A in the proportion of Cr 2 N, the film formation was performed in the same conditions as described above (test Nos. 15 to 21).

성막 후의 공시재에 대하여 단면 TEM 관찰을 실시한 결과, 도 7에 보이는 바와 같은 결정립의 미세화 효과를 확인하였다. 결정립의 크기가, 적층 구조로 되어 있지 않은 종래의 피막과 동일 정도인 경우에는 ×, 종래의 피막보다 작은 경우에는 ○로서 평가하였다.As a result of performing cross-sectional TEM observation about the test material after film-forming, the refinement | miniaturization effect of the crystal grain as shown in FIG. 7 was confirmed. When the magnitude | size of a crystal grain is about the same as the conventional film which does not have a laminated structure, it evaluated as (x), when smaller than a conventional film.

또한, 성막후의 A, B 각 층의 두께는 배율 50 내지 150만배로 2시야 관찰하여 측정하였다.In addition, the thickness of each layer of A and B after film-forming was observed and measured by 2 fields of view at 50 to 1.5 million times magnification.

각 피막중의 금속 원소 및 N, C, O 등의 원소의 비율은 오제 전자 분광에 의해, 표면으로부터 Ar 이온으로 스퍼터링하면서 채취한 깊이 방향의 조성 프로파일로부터 산출하여 구했다.The ratio of the metal element in each film, and elements, such as N, C, O, was calculated and calculated | required from the composition profile of the depth direction taken while sputtering with Ar ion from the surface by Auger electron spectroscopy.

또한, 수득된 피막의 경도는 마이크로비커스 경도계로 측정하였다(하중 25 gf[≒ 0.245N], 유지 시간 15초).In addition, the hardness of the obtained film was measured by the micro-Vickers hardness tester (load 25 gf [≒ 0.245N], holding time 15 second).

또한, 피막의 내마모성 및 상대재로의 공격성은 볼 온 플레이트 타입의 왕복 미끄럼 운동형 마모 마찰 시험기를 이용하여 평가하였다. 상대재(볼)로서 직경 9.53 mm의 베어링강(SUJ2, HRC60)을 이용하고, 미끄럼 운동 속도 0.1 m/s, 하중 2N, 미끄럼 운동 거리 250m에서 드라이 환경하에서 미끄럼 운동 시험을 실시하여, 미끄럼 운동시에 있어서의 마찰 계수와, 볼 및 피막 각각의 마모 속도를 측정하여 피막의 특성을 평가하였다.In addition, the abrasion resistance of the film and the aggression to the counterpart were evaluated using a ball-on-plate type reciprocating sliding motion wear friction tester. Using a bearing steel (SUJ2, HRC60) with a diameter of 9.53 mm as the counterpart (ball), a sliding test was carried out in a dry environment at a sliding speed of 0.1 m / s, a load of 2 N, and a sliding distance of 250 m. The friction coefficient in and the wear rate of each of the ball and the film were measured to evaluate the properties of the film.

또한, CuKα선을 사용한 θ-2θ의 X선 회절 측정을 실시하여 (111) 및 (200)면의 반치폭을 측정하였다.Moreover, the X-ray diffraction measurement of (theta) -2 (theta) using CuK (alpha) ray was performed, and the half value width of the (111) and (200) plane was measured.

상기 시험의 결과를 표 7에 나타내었다. 또한, 표 7에 나타낸 적층수는 층 A 및 층 B를 1층씩 적층한 상태를 1적층으로 하여 센 것이다(표 8 내지 10도 동일).The results of the test are shown in Table 7. In addition, the number of lamination | stacking shown in Table 7 counted the state which laminated | stacked layer A and layer B one by one as one lamination | stacking (same as Tables 8-10).

이들 시험 결과로부터 이하의 것이 분명하다. 즉, 층 B의 두께가 0.5nm 미만의 경우에는 결정립 미세화의 효과를 얻을 수 없고, 피막의 경도의 상승 정도는 작다(시험 번호 1, 2, 8, 9, 15, 16 참조). 한편, 층 B의 두께가 너무 큰 경우에는 결정립의 미세화는 생기지만, 고경도의 층 A의 두께에 대하여 저경도의 층 B의 두께의 비율이 과대해지기 때문에 피막 전체의 경도는 오히려 저하되는 경향을 나타내고 있다(시험 번호 7, 14, 21 참조). 따라서, 층 B의 막 두께는 층 A의 막 두께의 0.5배 이하가 바람직하다(시험 번호 3 내지 6, 10 내지 13, 17 내지 20 참조).The following are clear from these test results. That is, when the thickness of the layer B is less than 0.5 nm, the effect of grain refinement cannot be obtained, and the degree of increase in the hardness of the film is small (see Test Nos. 1, 2, 8, 9, 15, and 16). On the other hand, when the thickness of the layer B is too large, the grain size becomes finer, but since the ratio of the thickness of the low hardness layer B to the thickness of the high hardness layer A becomes excessive, the hardness of the entire coating film tends to decrease. (See Test Nos. 7, 14, 21). Therefore, the film thickness of layer B is preferably 0.5 times or less of the film thickness of layer A (see Test Nos. 3 to 6, 10 to 13, 17 to 20).

피막의 마모 계수도 경도와 거의 동일한 경향을 나타내고 있지만, 피막의 마 모 속도는 층 B의 두께가 층 A의 두께보다 작은 경우에는 거의 변화가 없는 데 반하여(시험 번호 1 내지 6, 8 내지 13, 15 내지 20 참조), 층 A의 두께보다 커지면 급격히 상승하는 경향을 나타내고 있어 내마모성의 저하를 시사하고 있다(시험 번호 7, 14, 21 참조).The wear coefficient of the film also tends to be almost the same as the hardness, but the wear rate of the film is almost unchanged when the thickness of the layer B is smaller than the thickness of the layer A (test numbers 1 to 6, 8 to 13, 15 to 20), which tends to increase rapidly when the layer A is larger than the thickness of the layer A, suggesting a decrease in wear resistance (see Test Nos. 7, 14 and 21).

또한, 화학식 1, 6 및 7을 만족시키는 데 더하여, 층 A가 암염 입방정 구조를 갖는 CrN으로 형성되고, 상기 (111)면 및 (200)면에서의 회절선의 반치폭 중 적어도 한쪽이 0.3° 이상인 경우에는 고경도이면서 내마모성이 우수한 피막을 얻을 수 있음을 알 수 있다(시험 번호 3 내지 6, 10 내지 13 참조).In addition, in addition to satisfying the formulas (1), (6) and (7), the layer A is formed of CrN having a rock salt cubic structure, and at least one of the half widths of the diffraction lines on the (111) plane and the (200) plane is 0.3 ° or more. It can be seen that a coating having high hardness and excellent wear resistance can be obtained (see Test Nos. 3 to 6 and 10 to 13).

Figure 112005006154982-PAT00007
Figure 112005006154982-PAT00007

실시예 2-2Example 2-2

본 실시예에 있어서는 상기 실시예 2-1에서 사용한 것과 동일한 복합 성막 장치를 이용하여, 상기 실시예 2-1과 마찬가지로 층 A를 CrN, 층 B를 B0.45C0.1N0.45 의 조성으로 했지만, 층 B의 두께를 2nm으로 일정하게 하여, 층 A의 두께를 1 내지 300nm의 범위에서 다양하게 변화시켜 성막을 실시하였다. 또한, 기타 시험 조건은 실시예 2-1과 동일하다.In the present Example, although the layer A was set as CrN and the layer B was set to B 0.45 C 0.1 N 0.45 similarly to Example 2-1 using the same composite film forming apparatus as used in Example 2-1, the layer The film was formed by varying the thickness of B in a range of 1 to 300 nm while keeping the thickness of B constant to 2 nm. In addition, other test conditions are the same as Example 2-1.

상기 시험 결과를 표 8에 나타내었다. 이들 시험 결과로부터 이하의 것이 분명하다.The test results are shown in Table 8. The following are clear from these test results.

층 A의 두께가 층 B의 두께보다 작은 경우에는 비교적 저경도의 층 B의 특성이 지배적이 되기 때문에 피막의 경도 상승의 정도는 작다(시험 번호 31 참조). 한편, 층 A의 두께가 300nm을 초과하는 경우에는 층 B에 의한 결정립의 분단·미세화의 효과가 작아져, 오히려 피막의 경도는 저하되는 경향을 보인다(시험 번호 36 참조). 따라서, 층 A의 막 두께는 200nm 이하이면서, 층 B의 막 두께는 층 A의 막 두께의 0.5배 이하가 바람직하다.If the thickness of the layer A is smaller than the thickness of the layer B, the degree of increase in hardness of the film is small because the properties of the relatively low hardness layer B become dominant (see Test No. 31). On the other hand, when the thickness of the layer A exceeds 300 nm, the effect of the division and refinement of the crystal grains by the layer B becomes small, and rather, the hardness of the film tends to decrease (see Test No. 36). Therefore, while the film thickness of layer A is 200 nm or less, the film thickness of layer B is preferably 0.5 times or less of the film thickness of layer A.

Figure 112005006154982-PAT00008
Figure 112005006154982-PAT00008

실시예 2-3Example 2-3

본 실시예에 있어서는 상기 실시예 2-1에서 사용한 것과 동일한 스퍼터링 성막 장치 또는 복합 성막 장치를 이용하여, 층 A의 두께를 30nm, 층 B의 두께를 2nm 으로 각각 일정하게 하고, 층 A, 층 B의 조성을 다양하게 변화시켜 성막을 실시하였다. 층 A 중에 C 또는 O를 함유시키는 경우에는 반응 가스에 메테인 또는 산소 가스를 첨가하고, B를 함유시키는 경우에는 타겟중에 B가 포함되는 Cr-B 합금 타겟을 사용하였다. 또한, 기타 시험 조건은 실시예 2-1과 동일하다.In this embodiment, the thickness of layer A is 30 nm and the thickness of layer B is set to 2 nm, respectively, using the same sputtering film forming apparatus or the composite film forming apparatus as used in Example 2-1, respectively. The film formation was performed by varying the composition of. In the case of containing C or O in the layer A, methane or oxygen gas was added to the reaction gas, and in the case of containing B, a Cr-B alloy target containing B in the target was used. In addition, other test conditions are the same as Example 2-1.

상기 시험 결과를 표 9 및 표 10에 나타내었다. 이들 시험 결과로부터, 층 A, 층 B를 각각 상기 화학식 1, 화학식 2를 만족시키는 조성으로 함으로써 고경도로 내마모성이 우수한 피막을 얻을 수 있음을 알 수 있다.The test results are shown in Table 9 and Table 10. From these test results, it can be seen that the coating having excellent wear resistance at high hardness can be obtained by setting the layers A and B to the compositions satisfying the general formulas (1) and (2), respectively.

또한, 층 B를 SiCN계 조성으로 한 경우에는 BCN계 조성으로 한 경우에 비해 상대적으로 피막의 마찰 계수는 약간 높고, 볼의 마모 속도도 약간 크지만, 피막의 경도는 동등 내지 약간 높은 값이 얻어져, 상대재에 대한 공격성을 고려하지 않아도 좋은 절삭 공구 등에 적합한 피막이 됨을 알 수 있었다.In the case where the layer B has a SiCN-based composition, the friction coefficient of the film is slightly higher and the wear rate of the ball is slightly higher than that of the BCN-based composition, but the hardness of the film is equivalent to slightly higher. It has been found that the film is suitable for cutting tools, etc., which do not have to be considered and the attack on the counterpart is not considered.

이는 층 B를 본 발명에서 규정하는 조성 중 SiCN계 조성 이외의 조성으로 하면, 종래의 피막보다 상대재에 대한 공격성도 저감시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있음을 의미한다.This means that when the layer B is made of a composition other than the SiCN-based composition in the composition stipulated in the present invention, it is possible to obtain an effect of reducing the aggression to the counterpart material than the conventional coating.

Figure 112005006154982-PAT00009
Figure 112005006154982-PAT00009

Figure 112005006154982-PAT00010
Figure 112005006154982-PAT00010

다음으로 본 제 3 발명의 실시예에 대하여 설명한다.Next, the Example of this 3rd invention is described.

실시예 3-1Example 3-1

다양한 조건의 경질 적층 피막 및 단층 경질 피막을 성막하여 피막 경도를 조사하고, 본 발명에 있어서의 층 A와 B를 교대로 적층하는 효과, 층 A와 B와의 각 두께의 효과를 평가하였다.The hard laminated film and the single-layer hard film of various conditions were formed into a film, the film hardness was investigated, the effect of laminating layers A and B in this invention alternately, and the effect of each thickness with layers A and B was evaluated.

이 때, 아크 성막 방법의 경우에는 상기 도 5에 나타낸 아크 및 스퍼터링 증발원을 갖는 성막 장치의, 아크 증발원만을 이용하여 성막하였다. 스퍼터링 성막 방법의 경우에는 상기 도 3에 도시한 2원의 스퍼터링 증발원만을 갖는 성막 장치로 성막하였다. 그리고, 아크+스퍼터링의 성막 방법의 경우에는 상기 도 5에 도시한, 아크 및 스퍼터링 증발원을 갖는 성막 장치를 이용하여 표 11에 나타낸 조성의 각 피막을 형성하였다.At this time, in the case of the arc film forming method, the film was formed using only the arc evaporation source of the film forming apparatus having the arc and the sputtering evaporation source shown in FIG. In the case of the sputtering film forming method, the film was formed by a film forming apparatus having only the binary sputtering evaporation source shown in FIG. 3. In the case of the arc + sputtering film forming method, each film having the composition shown in Table 11 was formed by using the film forming apparatus having the arc and the sputtering evaporation source shown in FIG. 5.

이들 성막 장치 모두 공통적으로, 기판을 장치에 도입한 후, 기판 온도를 400 내지 500℃ 정도에 가열하면서, 3×10-3 Pa 이하의 진공으로 배기하고, Ar 이온에 의한 클리닝(압력 0.6 Pa, 기판 전압 500V, 처리 시간 5분)을 실시한 후 성막을 실시하였다.All of these film-forming apparatuses are common, and after evacuating a board | substrate to an apparatus, it heats with a vacuum below 3x10 <-3> Pa, heating a board | substrate temperature to about 400-500 degreeC, and cleaning with Ar ion (pressure 0.6 Pa, Substrate voltage 500V, processing time 5 minutes), and it formed into a film.

또한, 이들 성막 장치 모두 공통적으로, 성막시의 온도는 모두 400 내지 500℃ 사이로 하였다. 기재에는 경면 연마한 초경합금을 사용하였다. 층 A의 피막을 형성할 때에는 표 11의 층 A 조성중의 금속 성분을 함유하는 타겟을 이용하고, 층 B를 형성할 때에는 B4C, C, Si, Cu의 각 타겟을 이용하였다.In addition, all these film-forming apparatuses were common, The temperature at the time of film-forming was all 400-500 degreeC. As a base material, the mirror-polished cemented carbide was used. To form a coating film of the layer A using a target containing a metal component of the layer A joseongjung shown in Table 11 and, when forming the layer B 4 C was used as B, C, Si, for each target of Cu.

이 때에 각 예 모두 적층 피막 두께(막 두께)는 거의 3μm(3000nm)로 일정하게 하였다. 또한, 층 A의 두께를 2 내지 250nm, 층 B의 두께는 0.2 내지 30nm의 각 범위에서 각각 변화시켰다.At this time, the laminated film thickness (film thickness) was made constant at almost 3 micrometers (3000 nm) in each case. In addition, the thickness of layer A was 2-250 nm, and the thickness of layer B was each changed in the range of 0.2-30 nm.

상기 도 3의 스퍼터링 성막 장치의 경우, 성막시에, 금속막을 형성하는 경우에는 순 Ar 분위기 중에서, 질화물을 형성하는 경우에는 Ar과 질소의 혼합 가스(혼합비 65:35), 탄질화물의 경우 Ar과 질소와 메테인의 혼합 가스(혼합비 65:30:5), 전체 압력 0.6 Pa로 하여 성막하고, 층 A와 층 B의 두께는 각각의 증발원을 작동시키는 시간으로 조절하였다.In the sputtering film forming apparatus of FIG. 3, in forming a metal film during film formation, in a pure Ar atmosphere, in the case of forming a nitride, a mixed gas of Ar and nitrogen (mixing ratio 65:35), and in the case of carbonitride The film was formed with a mixed gas of nitrogen and methane (mixing ratio 65: 30: 5) and a total pressure of 0.6 Pa, and the thicknesses of the layers A and B were adjusted by the time for operating each evaporation source.

상기 도 5의 복합 성막 장치의 경우에는 Ar과 질소의 혼합 가스(혼합 50:50), 탄질화물의 경우에는 Ar과 질소와 메테인의 혼합 가스(혼합비 50:45:5), 전체 압력 2.66 Pa로 하여 성막하였다. 또한, 층 A는 아크 증발원에서, 층 B는 스퍼터링 증발원에서 형성하였다. 또한, 층 A와 층 B의 두께는 각 증발원에 투입하는 전력비로 결정하고, 층 A+층 B의 합계의 적층 피막 두께는 기판의 회전 주기로 결정하였다.In the composite film forming apparatus of FIG. 5, a mixed gas of Ar and nitrogen (mixed 50:50), a mixed gas of Ar, nitrogen and methane (mixed ratio 50: 45: 5) in the case of carbonitride, and a total pressure of 2.66 Pa It formed into a film. In addition, layer A was formed at the arc evaporation source and layer B was formed at the sputtering evaporation source. In addition, the thickness of layer A and layer B was determined by the electric power ratio put into each evaporation source, and the laminated film thickness of the sum total of layer A + layer B was determined by the rotation period of a board | substrate.

이들 형성한 각 피막에 대하여, 피막의 비커스 경도를 마이크로비커스 경도계(측정 하중 25gf: Hv0.25)로 평가하였다.About each of these formed films, the Vickers hardness of the film was evaluated by the micro-Vickers hardness tester (measurement load 25gf: Hv0.25).

또한 단면 TEM 사진으로 적층 주기 및 층 A와 층 B의 두께를 확인하였다.또한 조성은 오제 전자 분광법으로 각 피막의 깊이 방향으로 분석을 실시하였다. 이들 결과를 표 11에 나타내었다.In addition, the cross-sectional TEM photographs confirmed the lamination cycle and the thicknesses of the layers A and B. The composition was analyzed by the Auger electron spectroscopy in the depth direction of each film. These results are shown in Table 11.

표 11에 나타낸 바와 같이, 번호 1 내지 5의 비교예는 층 B를 구비하지 않은, 층 A만의 단층의 경우이다. 이에 반해, 비교예 1과 발명예 7 내지 8, 비교예 3과 발명예 12 내지 14, 비교예 4와 발명예 17 내지 19, 비교예 5와 발명예 22 내지 24 등, 층 A가 동일 조성끼리인 비교에 있어서, 이들 각 발명예는 각 비교예에 비해 고경도를 확보하고 있다. 따라서, 우선, 본 발명에 있어서의 층 A와 B를 교대로 적층하는 효과가 뒷받침된다.As shown in Table 11, the comparative example of the numbers 1-5 is the case of the single | mono layer of only the layer A which does not have layer B. FIG. On the other hand, the layer A is the same composition, such as Comparative Example 1, Inventive Examples 7-8, Comparative Example 3, Inventive Examples 12-14, Comparative Example 4, Inventive Examples 17-19, Comparative Example 5, Inventive Examples 22-24, etc. In comparison of phosphorus, each of these invention examples ensures high hardness compared with each comparative example. Therefore, first, the effect of alternately laminating layers A and B in the present invention is supported.

다음에, 번호 6 내지 15는 층 B의 막 두께의 효과를 나타내고 있다. 본 발명 범위내의 동일 조성의 층 A와 층 B를 각각 설치한, 번호 6 내지 10과, 11 내지 15와의 각 그룹내에서의 비교에 있어서, 비교예 6, 11은 층 B의 두께가 하한인 0.5nm 미만이다. 또한, 비교예 10, 15는 층 A의 두께가 층 B의 두께의 2배 미만이다. 그 결과, 이들 비교예는 층 A, 층 B의 두께나, 층 A와 층 B와의 두께의 관계가 본 발명의 규정을 만족시키는 동일 그룹의 발명예 7 내지 9나, 발명예 12 내지 14에 비해 경도가 비교적 낮다.Next, numbers 6 to 15 show the effect of the film thickness of layer B. In the comparison in each group of Nos. 6 to 10 and 11 to 15, in which layers A and B of the same composition in the scope of the invention were provided, respectively, Comparative Examples 6 and 11 were 0.5, in which the thickness of layer B was the lower limit. less than nm. In Comparative Examples 10 and 15, the thickness of layer A is less than twice the thickness of layer B. As a result, these comparative examples were compared with the same group of Inventive Examples 7-9 and Inventive Examples 12-14 whose relationship between the thickness of layer A, layer B, and the thickness of layer A and layer B satisfy | fills the specification of this invention. Hardness is relatively low.

번호 16 내지 25는 층 A의 막 두께의 효과를 나타내고 있다. 본 발명의 범위내의 동일 조성의 층 A와 층 B를 각각 설치한, 번호 16 내지 20과, 21 내지 25와의 각 그룹내에서의 비교에 있어서, 비교예 16, 21은 층 A의 두께가 층 B의 두께의 2배 미만이다. 또한, 비교예 20, 25는 층 A의 두께가 상한의 200nm을 초과하였다. 그 결과, 이들 비교예는 층 A의 두께나, 층 A와 층 B와의 두께의 관계가 본 발명의 규정을 만족시키는 동일 그룹의 발명예 17 내지 19나, 발명예 22 내지 24에 비해 경도가 매우 낮다.Nos. 16 to 25 show the effect of the film thickness of layer A. In comparison in each group of No. 16-20 and 21-25 which provided the layer A and the layer B of the same composition within the scope of the present invention, Comparative Examples 16 and 21 have the thickness of layer A being layer B Is less than twice the thickness of. In Comparative Examples 20 and 25, the thickness of the layer A exceeded the upper limit of 200 nm. As a result, these comparative examples were much harder than the same group of Inventive Examples 17 to 19 and Inventive Examples 22 to 24, in which the relationship between the thickness of the layer A and the thickness of the layer A and the layer B satisfies the requirements of the present invention. low.

따라서, 본 발명에 있어서의 층 A, 층 B의 두께나, 층 A와 층 B와의 두께의 관계의 규정, 더욱 바람직한 규정의 의의가 뒷받침된다. Therefore, the meaning of the thickness of the layer A, the layer B, the relationship between the thickness of the layer A, and the layer B, and the more preferable definition in this invention are supported.

Figure 112005006154982-PAT00011
Figure 112005006154982-PAT00011

실시예 3-2Example 3-2

다음에, 다양한 조성의 층 A를 성막하여 피막 경도를 조사하고, 본 발명에 있어서의 층 A의 조성의 피막 경도에 대한 영향(효과)을 평가하였다.Next, the layer A of various compositions was formed into a film, the film hardness was investigated, and the influence (effect) on the film hardness of the composition of the layer A in this invention was evaluated.

상기 실시예 3-1과 동일한 성막 조건에서, 표 12에 나타낸 다양한 조성의 피막을 형성하였다. 형성한 피막에 대하여, 실시예 3-1과 같은 피막 비커스 경도를 마이크로비커스 경도계(측정 하중 25gf)로 평가하였다. 또한 단면 TEM 사진으로 적층 주기 및 층 A, B의 두께를 확인하였다. 또한 조성은 오제 전자 분광법으로 피막의 깊이 방향으로 분석을 실시하였다. 이들 결과를 표 12에 나타내었다.Under the same film formation conditions as in Example 3-1, films having various compositions shown in Table 12 were formed. About the formed film, the film Vickers hardness similar to Example 3-1 was evaluated with the micro Vickers hardness tester (measurement load 25gf). In addition, the cross-sectional TEM photograph confirmed the lamination cycle and the thickness of the layers A and B. In addition, the composition was analyzed in depth direction of a film by Auger electron spectroscopy. These results are shown in Table 12.

표 12에 나타낸 바와 같이, 번호 1 내지 6의 비교예는 층 B를 구비하지 않은, 층 A만의 단층의 경우이다. 이에 반해, 비교예 1과 발명예 12, 비교예 2와 발명예 17, 비교예 3과 발명예 13, 비교예 4와 발명예 29 등, 층 A가 동일한 조성끼리의 비교에 있어서, 이들 각 발명예는 각 비교예에 비해 고경도를 확보하고 있다. 또한, 동일 비교예끼리의 비교이면서, 층 A를 TiN으로 한, 비교예 6, 7끼리의 비교에서는 층 B를 구비하지 않은 층 A만의 단층의 비교예 6 쪽이, 층 A와 층 B를 교대로 적층한 비교예 7보다 경도가 낮다. 따라서, 이들 표 12의 결과로부터도, 본 발명에 있어서의 층 A와 층 B를 교대로 적층하는 효과가 뒷받침된다.As shown in Table 12, the comparative example of the numbers 1-6 is the case of the single | mono layer of only layer A which is not equipped with layer B. FIG. On the contrary, in the comparison of compositions having the same layer A, such as Comparative Example 1 and Inventive Example 12, Comparative Example 2 and Inventive Example 17, Comparative Example 3 and Inventive Example 13, Comparative Example 4 and Inventive Example 29, Honor secures high hardness compared with each comparative example. In addition, in the comparison between Comparative Examples 6 and 7 in which the layer A was TiN while comparing the same comparative examples, the comparative example 6 of the single layer only of the layer A without the layer B alternates between the layer A and the layer B. The hardness is lower than that of Comparative Example 7, which was laminated with. Therefore, also from the results of Table 12, the effect of alternately laminating layer A and layer B in the present invention is supported.

본 발명에서 층 A는 상기한 바와 같이 화학식 1의 조성으로 이루어진다.Layer A in the present invention consists of a composition of formula (1) as described above.

화학식 1Formula 1

(Ti1-x-yAlxMy)(BaCbN1-a-b-cOc )(Ti 1-xy Al x M y ) (B a C b N 1-abc O c )

[상기에서, 0.4≤ x≤ 0.8, 0≤ y≤ 0.6, 0≤ a≤ 0.15, 0≤ b≤ 0.3, 0≤ c≤ 0.1, 또한, M은 4A, 5A, 6A, Si의 1종 이상에서 선택되는 금속 원소][In the above, 0.4 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ y ≦ 0.6, 0 ≦ a ≦ 0.15, 0 ≦ b ≦ 0.3, 0 ≦ c ≦ 0.1, and M is one or more of 4A, 5A, 6A, and Si. Metal element selected]

여기서, 표 12 중, 동일 성분계끼리의 예를 비교한다. 우선, (TiAl)N계에서 Al의 함유량이 상기 0.4≤ x≤ 0.8의 규정 범위에서 벗어나 너무 낮거나, 너무 높은 비교예 8, 11은 Al의 함유량이 범위내인 발명예 9, 10, 12에 비해 경도가 낮다.Here, in Table 12, the example of the same component system is compared. First, in the (TiAl) N system, the Al content is too low or too high out of the prescribed range of 0.4 ≦ x ≦ 0.8. The hardness is lower than that.

(TiAlCr)N계에서, Al의 함유량이 상기 0.4≤ x≤ 0.8의 규정 범위에서 벗어 나 너무 낮은 비교예 16은 Cr의 함유량이 상기 0≤ y≤ 0.6의 규정 범위를 벗어나 너무 높을 수도 있고, Al의 함유량 x가 0.45 내지 0.65로, 0.4 내지 0.8의 상기 규정 범위내이고, 또한 보다 바람직한 0.55 내지 0.75의 규정 범위내이기도 한 발명예 13 내지 15에 비해 경도가 낮다.In the (TiAlCr) N system, in Comparative Example 16, where the content of Al is out of the prescribed range of 0.4≤x≤0.8 and is too low, the content of Cr may be too high outside of the prescribed range of 0≤y≤0.6, The content x of 0.45 to 0.65 is in the above prescribed range of 0.4 to 0.8, and the hardness is lower than the invention examples 13 to 15 which are also within the prescribed range of 0.55 to 0.75.

따라서, 이들 결과로부터, 본 발명에 있어서의 층 A의 Al의 함유량 x의 규정, 또는 보다 바람직한 규정의 의의가 뒷받침된다.Therefore, from these results, the meaning of the definition of content x of Al of layer A in this invention, or a more preferable definition is supported.

(TiM)(BN)계에서, B의 함유량이 상기 0≤ a≤ 0.15의 규정 범위에서 벗어나 너무 높은 비교예 25는 B의 함유량 a가 상기 0.15 이하의 규정 범위내이고, 또한 바람직한 0.1 이하의 규정 범위내이기도 한 발명예 23, 24에 비해 경도가 낮다. In the (TiM) (BN) system, the content of B is too high out of the prescribed range of 0 ≦ a ≦ 0.15. In Comparative Example 25, the content of B is within the prescribed range of 0.15 or less, and more preferably 0.1 or less Hardness is low compared with invention examples 23 and 24 which are also in a range.

따라서, 이들 결과로부터 본 발명에 있어서의 층 A의 B의 함유량 a의 규정, 또는 보다 바람직한 규정의 의의가 뒷받침된다.Therefore, these results support the meaning of the provision of content a of B of the layer A or more preferable provision of the present invention.

(TiAlCr)(CN)계에서, C의 함유량이 상기 0≤ b≤ 0.3의 규정 범위에서 벗어나 너무 높은 비교예 28은 C의 함유량이 0.3 이하의 규정 범위내이고, 보다 바람직한 0.1 이하의 규정 범위내이기도 한 발명예 26, 27에 비해 경도가 낮다.In the (TiAlCr) (CN) system, the content of C is too high out of the prescribed range of 0≤b≤0.3, and the comparative example 28 has a content of C within 0.3 or less, more preferably within 0.1 or less Hardness is low compared with invention examples 26 and 27 which are also.

따라서, 이들 결과로부터, 본 발명에 있어서의 층 A의 C의 함유량 b의 규정, 또는 보다 바람직한 규정의 의의가 뒷받침된다.Therefore, from these results, the meaning of the definition of content b of C of the layer A in this invention, or a more preferable regulation is supported.

(TiAlV)(ON)계에서, O의 함유량이 상기 0≤ c≤ 0.1의 규정 범위에서 벗어나 너무 높은 비교예 30은 O의 함유량이 0.1 이하의 규정 범위내인 발명예 29에 비해 경도가 낮다.In the (TiAlV) (ON) system, Comparative Example 30 in which the O content is too high out of the prescribed range of 0 ≦ c ≦ 0.1 is lower in hardness than Inventive Example 29 in which the O content is within the specified range of 0.1 or less.

따라서, 이들 결과로부터, 본 발명에 있어서의 층 A의 O의 함유량의 규정의 의의가 뒷받침된다.Therefore, these results support the significance of the definition of the O content of the layer A in the present invention.

또한, 표 12의 발명예 13 내지 15, 17 내지 22는 첨가 원소 M으로서 Cr, Si, Zr, Nb, Ta, V를 함유하고 있다. 이들 원소 M 중에서도 특히 Cr, Si, V 등을 함유한 예의 경도가 높아져 있다. 따라서, 이들 원소 M의 경도 향상 효과가 뒷받침된다. In addition, invention examples 13-15, 17-22 of Table 12 contain Cr, Si, Zr, Nb, Ta, V as addition element M. As shown in FIG. Among these elements M, the hardness of the example containing Cr, Si, V, etc. is especially high. Therefore, the effect of improving the hardness of these elements M is supported.

Figure 112005006154982-PAT00012
Figure 112005006154982-PAT00012

실시예 3-3Example 3-3

다음에, 다양한 조성의 층 B를 성막하여 피막 경도를 조사하여, 본 발명에 있어서의 층 A의 조성의 피막 경도에 대한 영향(효과)을 평가하였다.Next, the layer B of various compositions was formed into a film and the film hardness was investigated, and the influence (effect) on the film hardness of the composition of the layer A in this invention was evaluated.

상기 실시예 3-1과 동일한 성막 조건에서, 표 13에 나타내는 다양한 조성의 피막을 형성하였다. 형성한 피막에 대하여 실시예 3-1, 3-2와 마찬가지로, 피막의 비커스 경도를 평가하였다. 또한 단면 TEM 사진으로 적층 주기 및 층 A, B의 두께를 확인하였다. 또한 조성은 오제 전자 분광법으로 피막의 깊이 방향으로 분석을 실시하였다. 이들 결과를 표 13, 14(표 13의 계속)에 나타내었다.Under the same film formation conditions as in Example 3-1, a film having various compositions shown in Table 13 was formed. About the formed film, the Vickers hardness of the film was evaluated similarly to Example 3-1 and 3-2. In addition, the cross-sectional TEM photograph confirmed the lamination cycle and the thickness of the layers A and B. In addition, the composition was analyzed in depth direction of a film by Auger electron spectroscopy. These results are shown in Tables 13 and 14 (continued in Table 13).

또한, 본 실시예에서는 각 피막의 미끄럼 운동 특성의 평가를, 볼 온 플레이트 타입의 왕복 미끄럼 운동형 마모 마찰 시험기로 평가하였다. 평가 조건은 상대재(볼)를 직경 9.53mm의 베어링강(SUJ2, HRC60), 실온, 미끄럼 운동 속도 0.1m/s, 하중 2N, 미끄럼 운동 거리 250m에서 드라이 환경하에서 미끄럼 운동 시험을 실시하여, 시험중의 마찰 계수(μ)를 평가했다. In addition, in the present Example, evaluation of the sliding motion characteristic of each film was evaluated by the ball-on-plate type reciprocating sliding motion wear friction tester. Evaluation conditions were performed by testing the counterpart material (ball) in a dry environment at a bearing steel (SUJ2, HRC60) having a diameter of 9.53 mm, room temperature, a sliding speed of 0.1 m / s, a load of 2 N, and a sliding distance of 250 m in a dry environment. Friction coefficient ((mu)) was evaluated.

또한, 본 실시예에서는 각 피막의 내산화성을, 산화 개시 온도로부터 평가하였다. 즉, 백금박에 약 3μm 형성한 피막 샘플을, 열천칭을 이용하여 실온에서 1100℃까지 건조 공기중에서 4℃/분의 속도로 가열하고, 이 산화 중량 증가 곡선으로부터 산화 개시 온도를 결정하였다. 이들 결과도 표 13, 14에 나타내었다.In the present Example, the oxidation resistance of each film was evaluated from the oxidation start temperature. That is, the film sample formed about 3 micrometers in platinum foil was heated at the speed | rate of 4 degree-C / min in dry air from room temperature to 1100 degreeC using thermobalance, and the oxidation start temperature was determined from this oxidation weight increase curve. These results are also shown in Tables 13 and 14.

표 13, 14에 나타낸 바와 같이, 번호 1 내지 6의 비교예는 층 B를 구비하지 않은, 층 A만의 단층의 경우이다. 이에 반해, 비교예 1과, 발명예 7 내지 10 또는 비교예 11과의 비교, 비교예 3과 발명예 12, 13, 16 내지 19와의 비교, 비교예 4와 발명예 25 내지 28 등의 비교에 있어서, 이들 각 발명예는 각 비교예에 비해 고경도를 확보하고 있다. 따라서, 이들 표 3, 4의 결과로부터도, 본 발명에 있어서의 층 A와 B를 교대로 적층하는 효과가 뒷받침된다.As shown in Table 13, 14, the comparative example of the numbers 1-6 is a case of the single | mono layer of only layer A which is not equipped with layer B. FIG. On the contrary, in comparison with Comparative Example 1, Inventive Examples 7 to 10 or Comparative Example 11, in comparison with Comparative Example 3 and Inventive Examples 12, 13, 16 to 19, in comparison with Comparative Example 4 and Inventive Examples 25 to 28 and the like. Thus, each of these inventive examples ensures high hardness as compared with each comparative example. Therefore, also from the results of these Tables 3 and 4, the effect of alternately laminating layers A and B in the present invention is supported.

본 발명에서 층 B는 상기한 바와 같이 하기 4개의 조성식으로 표시되는 각 화합물 중에서 선택된다.In the present invention, layer B is selected from the compounds represented by the following four compositional formulas as described above.

화학식 2Formula 2

B1-x-yCxNy B 1-xy C x N y

[상기에서, x, y는 각각 원자비를 나타내고, 0≤ x≤ 0.25, B/N≤ 1.5][Wherein, x and y each represent an atomic ratio, 0 ≦ x ≦ 0.25, B / N ≦ 1.5]

화학식 3Formula 3

Si1-x-yCxNy Si 1-xy C x N y

[상기에서, x, y는 각각 원자비를 나타내고, 0≤ x≤ 0.25, 0.5≤ Si/N≤ 2.0][Wherein, x and y each represent an atomic ratio, 0 ≦ x ≦ 0.25, 0.5 ≦ Si / N ≦ 2.0]

화학식 4Formula 4

C1-xNx C 1-x N x

[상기에서, x는 원자비를 나타내고, 0≤ x≤ 0.6][Wherein, x represents an atomic ratio and 0 ≦ x ≦ 0.6]

화학식 5Formula 5

Cu1-y(CxN1-x)y Cu 1-y (C x N 1-x ) y

[상기에서, x, y는 각각 원자비를 나타내고, 0≤ x≤ 0.1, 0≤ y≤ 0.5] [Wherein, x and y each represent an atomic ratio, 0 ≦ x ≦ 0.1, 0 ≦ y ≦ 0.5]

중 어느 한 조성에서 선택한 조성으로 이루어지며,Consists of a composition selected from any one of

여기서, 표 13, 14 중, 층 B가 동일한 성분계끼리의 예를 비교한다. 우선, 상기 B1-x-yCxNy계에서, C의 함유량 x가 상기 0≤ x≤ 0.25의 규정 범위에서 벗어나 너무 높은 비교예 11은 C의 함유량이 규정 범위내인 발명예 7 내지 10에 비해 경도가 낮다. 또한, 상기 B/N의 규정 1.5 이하에서 벗어나 너무 높은 비교예 14, 15는 규정 범위내인 발명예 12, 13에 비해 경도가 낮고, 마찰 계수도 높아져 있다. B/N의 규정 1.5 이하에서, 피막의 경도, 마찰 계수 모두 높아짐을 알 수 있다.Here, in Tables 13 and 14, examples of component systems having the same layer B are compared. First, in the B 1-xy C x N y system, Comparative Example 11 in which the content x of C is too high out of the prescribed range of 0 ≦ x ≦ 0.25 is inventive examples 7 to 10 in which the content of C is within the specified range. The hardness is lower than that. In addition, Comparative Examples 14 and 15, which are too high out of the specification of B / N of 1.5 or less, have lower hardness and higher friction coefficients than Comparative Examples 12 and 13 within the specified range. It can be seen that both the hardness and the friction coefficient of the film are increased under the B / N specification of 1.5 or less.

상기 Si1-x-yCxNy계에서, C의 함유량 x가 상기 0≤ x≤ 0.25의 규정 범위에서 벗어나 너무 높은 비교예 20은 C의 함유량 x가 규정 범위내인 발명예 16 내지 19에 비해 경도 및 내산화성이 낮다. C의 함유량 x가 0.25 이하에서, 피막의 경도, 내산화성 모두 양호해짐을 알 수 있다. 또한, 상기 Si/N의 규정 0.5 내지 2.0에서 벗어나 너무 낮은 비교예 24는 규정 범위내인 발명예 21 내지 23에 비해 경도가 낮다. In the Si 1-xy C x N y system, Comparative Example 20 in which the content x of C is too high out of the prescribed range of 0 ≦ x ≦ 0.25 is compared with Inventive Examples 16 to 19, wherein the content x of C is in the prescribed range. Low hardness and oxidation resistance When content x of C is 0.25 or less, it turns out that both the hardness and oxidation resistance of a film become favorable. In addition, Comparative Example 24, which is too low from the 0.5 to 2.0 specification of Si / N, has a lower hardness than Inventive Examples 21 to 23 within the specification range.

상기 Cu1-y(CxN1-x)y계에서, Cu에 대한 CN의 비율의 계수 y가 상기 0≤ y≤ 0.5의 규정 범위에서 벗어나 너무 높은 비교예 29는 N의 함유량 x가 규정 범위내인 발명예 25 내지 28에 비해 경도가 낮다. 이 결과로부터, Cu에 대한 CN의 비율의 계수 y가 0 내지 0.5의 범위에서 경도가 높아지고, 또한, C의 함유량 x가 0≤ x≤ 0.1의 범위에서, 경도가 높아짐을 알 수 있다.In the Cu 1-y (C x N 1-x ) y system, in Comparative Example 29, where the coefficient y of the ratio of CN to Cu is too high out of the prescribed range of 0 ≦ y ≦ 0.5, the content x of N is defined The hardness is lower than that of Inventive Examples 25 to 28 in the range. From this result, it turns out that hardness becomes high in the range whose coefficient y of the ratio of CN with respect to Cu is 0-0.5, and hardness becomes high when C content x is 0 <= x <= 0.1.

상기 C1-xNx계에서, N의 함유량 x가 상기 0≤ x≤ 0.6의 규정 범위에서 벗어나 너무 높은 비교예 34는 N의 함유량 x가 규정 범위내인 발명예 30 내지 33에 비해 경도가 낮고, 마찰 계수가 증가하였다. 따라서, N의 함유량 x가 규정 범위내에 서, 경도가 높아지고, 마찰 계수가 저하됨을 알 수 있다.In the C 1-x N x system, Comparative Example 34, in which the content x of N is too high out of the prescribed range of 0 ≦ x ≦ 0.6, has a hardness higher than that of Inventive Examples 30 to 33, wherein the content x of N is within the specified range. Low, friction coefficient increased. Therefore, it turns out that hardness x becomes high and a friction coefficient falls within content x of N in a prescribed range.

또한 표 3, 4의 예 전체적으로, 층 B인, BCN계, C계 층과의 적층에 의해 마찰 계수가 저하되는 BCN계에서는 내산화성도 아주 근소하게 증가한다. SiCN계는 마찰 계수는 거의 변화되지 않지만, 내산화성이 현저히 증가한다. CuCN계는 경도가 증가하고, 내산화성도 아주 근소하게 증가한다.In addition, in the examples of Tables 3 and 4, the oxidation resistance also slightly increases in the BCN system in which the friction coefficient is reduced by lamination with the BCN-based and C-based layers, which are the layer B. In the SiCN system, the friction coefficient hardly changes, but oxidation resistance is significantly increased. In the CuCN system, the hardness increases and the oxidation resistance also increases slightly.

따라서, 이들 결과로부터 본 발명에 있어서의 층 B의 각 조성 규정의 의의가 뒷받침된다.Therefore, the significance of each composition regulation of the layer B in this invention is supported from these results.

Figure 112005006154982-PAT00013
Figure 112005006154982-PAT00013

Figure 112005006154982-PAT00014
Figure 112005006154982-PAT00014

다음으로 본 제 4 발명의 실시예에 대하여 설명한다.Next, the Example of this 4th invention is described.

실시예 4-1Example 4-1

다양한 조건의 경질 적층 피막 및 단층 경질 피막을 성막하여 피막 경도를 조사하여, 본 발명에 있어서의 층 A와 B를 교대로 적층하는 효과, 층 A와 B와의 각 두께의 효과를 평가하였다.The hard laminated film and the single-layer hard film of various conditions were formed into a film, the film hardness was investigated, and the effect of layering A and B alternately in this invention, and the effect of each thickness with layer A and B was evaluated.

이 때, 아크 성막 방법의 경우에는 상기 도 5에 나타낸 아크 및 스퍼터링 증발원을 갖는 성막 장치의, 아크 증발원만을 이용하여 성막하였다. 스퍼터링 성막 방법의 경우에는 상기 도 4에 나타낸 2원의 스퍼터링 증발원만을 갖는 성막 장치로 성막하였다. 그리고, 아크+스퍼터링의 성막 방법의 경우에는 상기 도 5에 도시한, 아크 및 스퍼터링 증발원을 갖는 성막 장치를 이용하여, 표 15에 나타내는 조성의 각 피막을 형성하였다.At this time, in the case of the arc film forming method, the film was formed using only the arc evaporation source of the film forming apparatus having the arc and the sputtering evaporation source shown in FIG. In the case of the sputtering film-forming method, it formed into a film-forming apparatus which has only the binary sputtering evaporation source shown in FIG. And in the case of the arc + sputtering film forming method, each film of the composition shown in Table 15 was formed using the film-forming apparatus which has the arc and sputtering evaporation source shown in FIG.

이들 성막 장치 모두 공통적으로, 기판을 장치에 도입한 후, 기판 온도를 400 내지 500℃ 정도에 가열하면서, 3×10-3 Pa 이하의 진공으로 배기하고, Ar 이온에 의한 클리닝(압력 0.6 Pa, 기판 전압 500V, 처리 시간 5분)을 실시한 후 성막을 실시하였다.All of these film-forming apparatuses are common, and after evacuating a board | substrate to an apparatus, it heats with a vacuum below 3x10 <-3> Pa, heating a board | substrate temperature to about 400-500 degreeC, and cleaning with Ar ion (pressure 0.6 Pa, Substrate voltage 500V, processing time 5 minutes), and it formed into a film.

또한, 이들 성막 장치 모두 공통적으로 성막시의 온도는 모두 400 내지 500℃ 사이로 하였다. 기재에는 경면 연마한 초경합금을 이용하였다. 층 A의 피막을 형성할 때에는 표 15의 층 A 조성중의 금속 성분을 함유하는 타겟을 이용하여, 층 B를 형성할 때에는 B4C, C, Si, Cu의 각 타겟을 이용하였다.In addition, all these film-forming apparatuses made the temperature at the time of film-forming in common between 400-500 degreeC. As a base material, the mirror-polished cemented carbide was used. To form a coating film of the layer A using a target containing a metal component shown in Table 15, the layer A joseongjung, when forming the layer B 4 C was used as B, C, Si, for each target of Cu.

이 때에 각 예 모두 적층 피막 두께(막 두께)는 거의 3μm(3000nm)로 일정하게 하였다. 또한, 층 A의 두께를 2 내지 250nm, 층 B의 두께는 0.2 내지 30nm의 각 범위에서 각각 변화시켰다.At this time, the laminated film thickness (film thickness) was made constant at almost 3 micrometers (3000 nm) in each case. In addition, the thickness of layer A was 2-250 nm, and the thickness of layer B was each changed in the range of 0.2-30 nm.

상기 도 4의 스퍼터링 성막 장치의 경우, 성막시에, 금속막을 형성하는 경우에는 순 Ar 분위기 중에서, 질화물을 형성하는 경우, Ar와 질소의 혼합 가스(혼합 비65:35), 탄질화물의 경우 Ar과 질소와 메테인의 혼합 가스(혼합비 65:30:5), 전체 압력 0.6 Pa로 하여 성막하고, 층 A와 층 B의 두께는 각각의 증발원을 작동시키는 시간으로 조절하였다.In the sputtering film forming apparatus of FIG. 4, in the case of forming a metal film during film formation, in a pure Ar atmosphere, in the case of forming nitride, a mixed gas of Ar and nitrogen (mixing ratio 65:35), Ar in the case of carbonitride And a mixed gas of nitrogen and methane (mixing ratio 65: 30: 5) and a total pressure of 0.6 Pa were formed, and the thicknesses of the layers A and B were adjusted by the time for operating each evaporation source.

상기 도 5의 복합 성막 장치의 경우에는 Ar과 질소의 혼합 가스(혼합비 50:50), 탄질화물의 경우 Ar과 질소와 메테인의 혼합 가스(혼합비 50:45:5), 전체 압력 2.66 Pa로 하여 성막하였다. 또한, 층 A는 아크 증발원에서, 층 B는 스퍼터링 증발원에서 형성하였다. 또한, 층 A와 층 B의 두께는 각 증발원에 투입하는 전력비로 결정하고, 층 A+층 B의 합계의 적층 피막 두께는 기판의 회전 주기로 결정하였다.In the composite film forming apparatus of FIG. 5, a mixed gas of Ar and nitrogen (mixing ratio 50:50), a carbon dioxide mixed gas of Ar, nitrogen and methane (mixing ratio 50: 45: 5), and a total pressure of 2.66 Pa Was formed. In addition, layer A was formed at the arc evaporation source and layer B was formed at the sputtering evaporation source. In addition, the thickness of layer A and layer B was determined by the electric power ratio put into each evaporation source, and the laminated film thickness of the sum total of layer A + layer B was determined by the rotation period of a board | substrate.

이들 형성한 각 피막에 대하여 피막의 비커스 경도를 마이크로비커스 경도계(측정 하중 25gf: Hv0.25)로 평가하였다.About each of these formed films, the Vickers hardness of the film was evaluated by the micro-Vickers hardness tester (measurement load 25gf: Hv0.25).

또한 단면 TEM 사진으로 적층 주기 및 층 A와 층 B의 두께를 확인하였다. 또한 조성은 오제 전자 분광법으로 각 피막의 깊이 방향으로 분석을 실시하였다. 이들 결과를 표 15에 나타내었다.In addition, the cross-sectional TEM photographs confirmed the lamination cycle and the thicknesses of the layers A and B. In addition, the composition was analyzed in depth direction of each film by Auger electron spectroscopy. These results are shown in Table 15.

표 15에 나타낸 바와 같이, 번호 1 내지 6의 비교예는 층 B를 구비하지 않은, 층 A만의 단층의 경우이다. 이에 반해, 비교예 1과 발명예 8 내지 10, 비교예 3와 발명예 13 내지 15, 비교예 4와 발명예 18 내지 20 등, 층 A가 동일한 조성끼리의 비교에 있어서, 이들 각 발명예는 각 비교예에 비해 고경도를 확보하고 있다. 따라서, 우선, 본 발명에 있어서의 층 A와 B를 교대로 적층하는 효과가 뒷받침된다.As shown in Table 15, the comparative example of the numbers 1-6 is the case of the single | mono layer of only layer A which does not have layer B. FIG. On the contrary, in the comparison of compositions having the same layer A as Comparative Example 1, Inventive Examples 8 to 10, Comparative Example 3 and Inventive Examples 13 to 15, Comparative Example 4 and Inventive Examples 18 to 20, and the like, Compared with each comparative example, high hardness is ensured. Therefore, first, the effect of alternately laminating layers A and B in the present invention is supported.

다음에, 번호 7 내지 16의 예는 층 B의 막 두께의 효과를 나타내고 있다. 동일 조성의 층 A와 층 B를 각각 설치한, 번호 7 내지 11과, 12 내지 16과의 각 그룹내에서의 비교에 있어서, 비교예 7, 12는 층 B의 두께가 하한인 0.5nm 미만이다. 또한, 비교예 11, 16은 층 A의 두께가 층 B의 두께의 2배 미만이다. 그 결과, 이들 비교예는 층 A, 층 B의 두께나, 층 A와 층 B와의 두께의 관계가 본 발명의 규정을 만족시키는, 동일 그룹의 발명예 8 내지 10이나, 발명예 13 내지 15에 비해 경도가 비교적 낮다.Next, the example of numbers 7-16 has shown the effect of the film thickness of layer B. FIG. In the comparison within each group of Nos. 7 to 11 and 12 to 16 each provided with layer A and layer B of the same composition, Comparative Example 7, 12 is less than 0.5 nm in which the thickness of layer B is a lower limit. . In Comparative Examples 11 and 16, the thickness of the layer A is less than twice the thickness of the layer B. As a result, these comparative examples are given to Inventive Examples 8 to 10 and Inventive Examples 13 to 15, in which the relationship between the thicknesses of the layers A and B, and the thickness of the layers A and B satisfies the requirements of the present invention. The hardness is relatively low.

다음에, 번호 7 내지 16의 예는 층 B의 막 두께의 효과를 나타내고 있다. 동일 조성의 층 A와 층 B를 각각 설치한, 번호 7 내지 11과, 12 내지 16의 각 그룹내에서의 비교에 있어서, 비교예 7, 12는 층 B의 두께가 하한인 0.5nm 미만이다. 또한, 비교예 11, 16은 층 A의 두께가 층 B의 두께의 2배 미만이다. 그 결과, 이들 비교예는 층 A, 층 B의 두께나, 층 A와 층 B와의 두께의 관계가 본 발명의 규정을 만족시키는, 동일 그룹의 발명예 8 내지 10이나, 발명예 13 내지 15에 비해 경도가 비교적 낮다.Next, the example of numbers 7-16 has shown the effect of the film thickness of layer B. FIG. In the comparison in each group of Nos. 7 to 11 and 12 to 16 each provided with layers A and B of the same composition, Comparative Examples 7, 12 are less than 0.5 nm in which the thickness of layer B is a lower limit. In Comparative Examples 11 and 16, the thickness of the layer A is less than twice the thickness of the layer B. As a result, these comparative examples are given to Inventive Examples 8 to 10 and Inventive Examples 13 to 15, in which the relationship between the thicknesses of the layers A and B, and the thickness of the layers A and B satisfies the requirements of the present invention. The hardness is relatively low.

다음에, 번호 17 내지 26은 층 A의 막 두께의 효과를 나타내고 있다. 동일 조성의 층 A와 층 B를 각각 설치한, 번호 17 내지 21과, 22 내지 26의 각 그룹내에서의 비교에 있어서, 비교예 17, 22는 층 A의 두께가 층 B의 두께의 2배 미만이다. 또한, 비교예 21, 26은 층 A의 두께가 상한의 200nm을 초과하였다. 그 결과, 이들 비교예는 층 A의 두께나, 층 A와 층 B와의 두께의 관계가 본 발명의 규정을 만족시키는, 동일 그룹의 발명예 18 내지 20이나, 발명예 23 내지 25에 비해 경도가 비교 적 낮다. Next, numbers 17 to 26 show the effect of the film thickness of layer A. In the comparison in each group of Nos. 17 to 21 and 22 to 26 where layers A and B of the same composition were provided, respectively, in Comparative Examples 17 and 22, the thickness of layer A was twice the thickness of layer B. Is less than. In Comparative Examples 21 and 26, the thickness of the layer A exceeded the upper limit of 200 nm. As a result, these comparative examples have hardness compared to the same group of Inventive Examples 18-20 and Inventive Examples 23-25 in which the relationship between the thickness of layer A and the thickness of layer A and layer B satisfies the present invention. Comparatively low

또한, 층 A가 Cr계 성분 조성의 발명예 23 내지 25는 Ti계 성분 조성의 발명예 8 내지 10, 13 내지 15, 18 내지 20 등에 비해 경도는 낮다. 그러나, 상기한 바와 같이, 미끄럼 운동 부재에 사용된 경우, Ti계 성분 조성에 비하여 상대재에 대한 공격성이 낮은 특징이 있다.In addition, the invention examples 23-25 of layer A of Cr type component composition have a low hardness compared with invention examples 8-10, 13-15, 18-20 of Ti-type component composition, etc. However, as described above, when used for the sliding member, there is a characteristic that the attack to the counterpart material is lower than the Ti-based component composition.

따라서, 이들 결과로부터, 본 발명에 있어서의 층 A, 층 B의 조성이나 두께, 층 A와 층 B와의 두께의 관계의 규정, 나아가 바람직한 규정의 의의가 뒷받침된다.Therefore, these results support the definition of the relationship between the composition and thickness of the layer A, the layer B, the thickness of the layer A and the layer B in the present invention, and furthermore, the meaning of the preferred regulation.

Figure 112005006154982-PAT00015
Figure 112005006154982-PAT00015

실시예 4-2Example 4-2

다음에, 다양한 조성의 층 A를 성막하여 피막 경도를 조사하고, 본 발명에 있어서의 층 A의 조성의 피막 경도에 대한 영향(효과)을 평가하였다.Next, the layer A of various compositions was formed into a film, the film hardness was investigated, and the influence (effect) on the film hardness of the composition of the layer A in this invention was evaluated.

상기 실시예 4-1과 동일한 성막 조건에서, 표 16에 나타내는 다양한 조성의 피막을 형성하였다. 형성한 피막에 대하여, 실시예 4-1과 동일한 피막 비커스 경도를 마이크로비커스 경도계(측정 하중 25gf)로 평가하였다. 또한 단면 TEM 사진으로 적층 주기 및 층 A, B의 두께를 확인하였다. 또한 조성은 오제 전자 분광법으로 피막의 깊이 방향으로 분석을 실시하였다. 이들 결과를 표 16, 표 17(표 16의 계속)에 나타내었다.Under the same film formation conditions as in Example 4-1, a film having various compositions shown in Table 16 was formed. About the formed film, the film Vickers hardness similar to Example 4-1 was evaluated with the micro Vickers hardness tester (measurement load 25gf). In addition, the cross-sectional TEM photograph confirmed the lamination cycle and the thickness of the layers A and B. In addition, the composition was analyzed in depth direction of a film by Auger electron spectroscopy. These results are shown in Table 16 and Table 17 (continuation of Table 16).

표 16, 17에 나타낸 바와 같이, 번호 1 내지 7의 비교예는 층 B를 구비하지 않는, 층 A만의 단층의 경우이다. 이에 반해, 비교예 1과 발명예 11, 비교예 2와 발명예 18, 비교예 3과 발명예 14, 비교예 4와 발명예 23 등, 층 A가 동일 내지 유내지 대략 유사한 조성끼리의 비교에 있어서, 이들 각 발명예는 각 비교예에 비해 고경도를 확보하고 있다. 또한, 동일 비교예끼리의 비교이면서, 층 A를 TiN으로 한 비교예 6, 7끼리의 비교에서는 층 B를 구비하지 않은 층 A만의 단층의 비교예 6 쪽이, 층 A와 층 B를 교대로 적층한 비교예 7보다 경도가 낮다. 따라서, 이들 표 16의 결과로부터도, 본 발명에 있어서의 층 A와 층 B를 교대로 적층하는 효과가 뒷받침된다.As shown to Table 16, 17, the comparative example of the numbers 1-7 is the case of the single | mono layer of only layer A which does not have layer B. FIG. On the other hand, in Comparative Example 1, Inventive Example 11, Comparative Example 2, Inventive Example 18, Comparative Example 3, Inventive Example 14, Comparative Example 4, Inventive Example 23, and the like, the composition of the layer A was the same or in comparison with each other. Thus, each of these inventive examples ensures high hardness as compared with each comparative example. In addition, in the comparison of Comparative Examples 6 and 7 which made layer A TiN while comparing the same comparative examples, the comparative example 6 of the single layer only of the layer A which does not have layer B alternates between layer A and layer B alternately. It is lower in hardness than the laminated comparative example 7. Therefore, the results of these Table 16 also support the effect of alternately laminating layer A and layer B in the present invention.

본 발명에서 층 A는 상기한 바와 같이, (Ti1-x-yAlxMy)(BaC bN1-a-b-cOc)In the present invention, the layer A is as described above, (Ti 1-xy Al x M y ) (B a C b N 1-abc O c )

[상기에서, 0.4≤ x≤ 0.8, 0≤ y≤ 0.6, 0≤ a≤ 0.15, 0≤ b≤ 0.3, 0≤ c≤ 0.1, M은 4A, 5A, 6A, Si의 1종 이상에서 선택된 금속 원소]의 조성으로 이루어진다.[In the above, 0.4 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ y ≦ 0.6, 0 ≦ a ≦ 0.15, 0 ≦ b ≦ 0.3, 0 ≦ c ≦ 0.1, and M is a metal selected from one or more of 4A, 5A, 6A, and Si. Element].

여기서, 표 16 중, 동일 성분계끼리의 예를 비교한다. 우선, (TiAl)N계에서, Al의 함유량이 상기 0.4≤ x≤ 0.8의 규정 범위에서 벗어나 너무 낮거나, 너무 높은 비교예 9, 13은 Al의 함유량이 범위내인 발명예 10 내지 12에 비해 경도가 낮다.Here, in Table 16, the example of the same component system is compared. First, in the (TiAl) N system, Comparative Examples 9 and 13 in which the Al content is too low or too high out of the prescribed range of 0.4 ≦ x ≦ 0.8 are compared with Inventive Examples 10 to 12 in which the Al content is in the range. Low hardness

(TiAlCr)N계에서, Al의 함유량이 상기 0.4≤ x≤ 0.8의 규정 범위에서 벗어나 너무 낮은 비교예 17은 Cr의 함유량이 상기 0≤ y≤ 0.6의 규정 범위를 벗어나 너무 높을 수도 있고, Al의 함유량 x가 0.45 내지 0.65로, 0.4 내지 0.8의 상기 규정 범위내이고, 또한 보다 바람직한 0.55 내지 0.75의 규정 범위내이기도 한 발명예 14 내지 16에 비해 경도가 낮다.In (TiAlCr) N-based, Comparative Example 17 in which the Al content is too low out of the prescribed range of 0.4 ≦ x ≦ 0.8 may have a Cr content too high out of the prescribed range of 0 ≦ y ≦ 0.6, Hardness is low compared with invention examples 14-16 which content x is 0.45-0.65 and is in the said prescribed | regulated range of 0.4-0.8, and also in the more preferable specified range of 0.55-0.75.

따라서, 이들 결과로부터, 본 발명에 있어서의 층 A의 Al 함유량 x의 규정, 또는 보다 바람직한 규정의 의의가 뒷받침된다.Therefore, from these results, the meaning of the definition of Al content x of the layer A in this invention, or a more preferable definition is supported.

(TiAl)(BN)계에서, B의 함유량이 상기 0≤ a≤ 0.15의 규정 범위에서 벗어나 너무 높은 비교예 26은 B의 함유량 a가 상기 0.15 이하의 규정 범위내이고, 또한 보다 바람직한 0.1 이하의 규정 범위내이기도 한 발명예 24, 25에 비해 경도가 낮다.In the (TiAl) (BN) system, the content of B is too high out of the specified range of 0 ≦ a ≦ 0.15. In Comparative Example 26, the content of B is within the specified range of 0.15 or less, and more preferably 0.1 or less Hardness is low compared with invention examples 24 and 25 which are also within a prescribed range.

따라서, 이들 결과로부터, 본 발명에 있어서의 층 A의 B의 함유량 a의 규정, 또는 보다 바람직한 규정의 의의가 뒷받침된다.Therefore, from these results, the meaning of the definition of content a of B of the layer A in this invention, or a more preferable regulation is supported.

(TiAlCr)(CN)계에서, C의 함유량이 상기 0≤ b≤ 0.3의 규정 범위에서 벗어나 너무 높은 비교예 29는 C의 함유량이 0.3 이하의 규정 범위내이고, 보다 바람직한 0.1 이하의 규정 범위내이기도 한 발명예 27, 28에 비해 경도가 낮다.In the (TiAlCr) (CN) system, the content of C is too high out of the prescribed range of 0 ≦ b ≦ 0.3, and Comparative Example 29 has a content of C within 0.3 or less, more preferably within 0.1 or less Hardness is low compared with invention examples 27 and 28 which are also.

따라서, 이들 결과로부터, 본 발명에 있어서의 층 A의 C의 함유량 b의 규정, 또는 보다 바람직한 규정의 의의가 뒷받침된다.Therefore, from these results, the meaning of the definition of content b of C of the layer A in this invention, or a more preferable regulation is supported.

(TiAlV)(ON)계에서, O의 함유량이 상기 0≤ c≤ 0.1의 규정 범위에서 벗어나 너무 높은 비교예 31은 O의 함유량이 0.1 이하의 규정 범위내인 발명예 30에 비해 경도가 낮다.In the (TiAlV) (ON) system, Comparative Example 31 in which the O content is too high out of the prescribed range of 0 ≦ c ≦ 0.1 has a lower hardness than Inventive Example 30 in which the O content is within the specified range of 0.1 or less.

따라서, 이들 결과로부터, 본 발명에 있어서의 층 A의 O의 함유량의 규정의 의의가 뒷받침된다.Therefore, these results support the significance of the definition of the O content of the layer A in the present invention.

또한, 표 16의 발명예 14 내지 16, 18 내지 23은 첨가 원소 M으로서 Cr, Si, Zr, Nb, Ta, V를 함유하고 있다. 이들 원소 M 중에서도 특히, Cr, Si, V 등을 함유한 예의 경도가 높아졌다. 따라서, 이들 원소 M의 경도 향상 효과가 뒷받침된다. 또한, 층 A가 Cr계 성분 조성의 발명예 32 내지 37은 Ti계 성분 조성의 상기 발명예에 비해 경도는 낮다. 그러나, 상기한 바와 같이, 미끄럼 운동 부재에 사용된 경우, Ti계 성분 조성에 비하여 상대재에 대한 공격성이 낮은 특징이 있다.Invention Examples 14 to 16 and 18 to 23 of Table 16 contain Cr, Si, Zr, Nb, Ta, and V as the additional elements M. Among these elements M, the hardness of the example containing Cr, Si, V, etc. was especially high. Therefore, the effect of improving the hardness of these elements M is supported. In addition, Examples 32 to 37 of the Cr-based component composition of the layer A have a lower hardness than the above-described invention examples of the Ti-based component composition. However, as described above, when used for the sliding member, there is a characteristic that the attack to the counterpart material is lower than the Ti-based component composition.

Figure 112005006154982-PAT00016
Figure 112005006154982-PAT00016

Figure 112005006154982-PAT00017
Figure 112005006154982-PAT00017

실시예 4-3Example 4-3

다음에, 다양한 조성의 층 B를 성막하여 피막 경도를 조사하고, 본 발명에 있어서의 층 B의 조성의 피막 경도에 대한 영향(효과)을 평가하였다.Next, the layer B of various compositions was formed into a film, the film hardness was investigated, and the influence (effect) to the film hardness of the composition of the layer B in this invention was evaluated.

상기 실시예 4-1과 동일한 성막 조건에서, 표 17에 나타내는 다양한 조성의 피막을 형성하였다. 형성한 피막에 대하여, 실시예 4-1, 4-2와 마찬가지로, 피막 의 비커스 경도를 평가하였다. 또한 단면 TEM 사진으로 적층 주기 및 층 A, B의 두께를 확인하였다. 또한 조성은 오제 전자 분광법으로 피막의 깊이 방향으로 분석을 실시하였다. 이들 결과를 표 18에 나타내었다.Under the same film forming conditions as in Example 4-1, films having various compositions shown in Table 17 were formed. About the formed film, the Vickers hardness of the film was evaluated similarly to Example 4-1 and 4-2. In addition, the cross-sectional TEM photograph confirmed the lamination cycle and the thickness of the layers A and B. In addition, the composition was analyzed in depth direction of a film by Auger electron spectroscopy. These results are shown in Table 18.

또한, 본 실시예에서는 각 피막의 미끄럼 운동 특성의 평가를, 볼 온 플레이트 타입의 왕복 미끄럼 운동형 마모 마찰 시험기로 평가하였다. 평가 조건은 상대재(볼)을 직경 9.53mm의 베어링강(SUJ2, HRC60), 실온, 미끄럼 운동 속도 0.1m/s, 하중 2N, 미끄럼 운동 거리 250m에서 드라이 환경하에서 미끄럼 운동 시험을 실시하여, 시험중의 마찰 계수(μ)를 평가하였다.In addition, in the present Example, evaluation of the sliding motion characteristic of each film was evaluated by the ball-on-plate type reciprocating sliding motion wear friction tester. Evaluation conditions were performed by testing the counterpart material (ball) in a dry environment at a bearing steel (SUJ2, HRC60) having a diameter of 9.53 mm, room temperature, a sliding speed of 0.1 m / s, a load of 2 N, and a sliding distance of 250 m in a dry environment. Friction coefficient (mu) was evaluated.

또한, 본 실시예에서는 각 피막의 내산화성을, 산화 개시 온도로부터 평가하였다. 즉, 백금박에 약 3μm 형성한 피막 샘플을, 열천칭을 이용하여 실온에서 1100℃까지 건조 공기중에서 4℃/분의 속도로 가열하고, 이 산화 중량 증가 곡선으로부터 산화 개시 온도를 결정하였다. 이들 결과도 표 4에 나타내었다.In the present Example, the oxidation resistance of each film was evaluated from the oxidation start temperature. That is, the film sample formed about 3 micrometers in platinum foil was heated at the speed | rate of 4 degree-C / min in dry air from room temperature to 1100 degreeC using thermobalance, and the oxidation start temperature was determined from this oxidation weight increase curve. These results are also shown in Table 4.

표 18에 나타낸 바와 같이, 번호 1 내지 7의 비교예는 층 B를 구비하지 않은, 층 A만의 단층의 경우이다. 이에 반해, 비교예 1과, 발명예 8 내지 10 또는 비교예 11과의 비교, 비교예 3과 발명예 12, 13, 15 내지 17, 19 내지 21과의 비교에 있어서, 이들 각 발명예는 각 비교예에 비해 고경도를 확보하고 있다. 따라서, 이들 표 18의 결과로부터도 본 발명에 있어서의 층 A와 B를 교대로 적층하는 효과가 뒷받침된다. As shown in Table 18, the comparative example of the numbers 1-7 is the case of the single | mono layer of only layer A which is not equipped with layer B. FIG. On the other hand, in comparison with Comparative Example 1, Inventive Examples 8 to 10 or Comparative Example 11, and Comparative Example 3 and Inventive Examples 12, 13, 15 to 17, and 19 to 21, each of these Inventive Examples was Compared with the comparative example, high hardness is secured. Therefore, the effect of laminating layers A and B in this invention alternately is also supported from the result of these Table 18.

본 발명에서 층 B는 상기한 바와 같이 다음 화학식 7로 표시되는 조성이다.In the present invention, layer B is a composition represented by the following formula (7) as described above.

화학식 7Formula 7

M(BaCbN1-a-b-cOc)M (B a C b N 1-abc O c )

[상기에서, M은 W, Mo, V, Nb 중 어느 1종 이상에서 선택되는 금속 원소, a, b, c는 각각 원자비를 나타내고, 0≤ a≤ 0.15, 0≤ b≤ 0.3, 0≤ c≤0.1][In the above, M is a metal element selected from any one or more of W, Mo, V, Nb, a, b, c each represents an atomic ratio, 0≤ a≤ 0.15, 0≤ b≤ 0.3, 0≤ c≤0.1]

여기서, 표 18 중, 층 B가 동일한 성분계끼리인 예를 비교한다. 우선, W(C N)계에서, C의 함유량 b가 상기 0≤ b≤ 0.3의 규정 범위에서 벗어나 너무 높은 비교예 11은 C의 함유량이 규정 범위내인 발명예 8 내지 10에 비해 경도 및 내산화성이 낮다.Here, in Table 18, the example in which layer B is the same component system is compared. First, in the W (CN) system, the content b of C is too high out of the prescribed range of 0 ≦ b ≦ 0.3, and the comparative example 11 has hardness and oxidation resistance in comparison with Examples 8 to 10 in which the content of C is within the specified range. Is low.

V(NO)계에서, O의 함유량 c가 상기 0≤ c≤ 0.1의 규정 범위에서 벗어나 너무 높은 비교예 14는 O의 함유량 c가 규정 범위내인 발명예 12, 13에 비해 경도 및 내산화성이 낮다.In the V (NO) system, Comparative Example 14, in which the content c of O is too high out of the specified range of 0 ≦ c ≦ 0.1, has a hardness and oxidation resistance in comparison with Examples 12 and 13, in which the content c of O is within the specified range. low.

Nb(BN)계에서, B의 함유량 a가 상기 0≤ a≤ 0.15의 규정 범위에서 벗어나 너무 높은 비교예 18은 O의 함유량 c가 규정 범위내인 발명예 15 내지 17에 비해 경도가 낮다.In the Nb (BN) system, Comparative Example 18 in which the content a of B is too high out of the prescribed range of 0 ≦ a ≦ 0.15 is lower in hardness than the Inventive Examples 15 to 17 in which the content c of O is within the specified range.

층 B의 조성으로서 Nb를 포함하는, Nb(BN)계의 발명예 16, 17(비교예 18도)의 Mo를 포함하는 (MoNb)(CN)계의 발명예 20, (MoNb)(CN)계의 발명예 22, W를 포함하는 (WAl)N계의 발명예 21은 피막의 경도도 높지만, 내산화성이 특히 향상되었다. 또한, (WV)N계의 발명예 19는 피막의 경도가 높다.Inventive examples 20 and (MoNb) (CN) of (MoNb) (CN) containing Mo of Nb (BN) -based invention examples 16 and 17 (comparative example 18 degrees) containing Nb as a composition of layer B Inventive Example 22 of the system and Inventive Example 21 of the (WAl) N system including W, the hardness of the coating was also high, but the oxidation resistance was particularly improved. Further, Example 19 of the (WV) N system has a high hardness of the film.

층 B의 조성으로서 V를 포함하는 발명예 12, 13, 26은 (비교예 14도) 특히 마찰 계수가 낮아졌다.Inventive Examples 12, 13, and 26 containing V as the composition of the layer B (comparative example 14 degrees) in particular, had a low coefficient of friction.

또한, 발명예 21, 22, 23, 25는 상기 층 B의 조성식 3에 있어서, 금속 원소 M을, 상기 W, Mo, V, Nb를 제외한, 이들과는 다른 4A, 5A, 6A, Si의 1종 이상에서 선택되는 금속 원소 M1으로, 원자비를 0.3 이하의 범위로 치환한 발명예이다. 발명예 21은 W를 Al로 치환하고 있다. 발명예 22는 Mo를 Si로 치환하고 있다. 발명예 23은 V를 Ti로 치환하고 있다. 그 결과, 피막 경도가 높아졌다.Inventive examples 21, 22, 23, and 25 are 4A, 5A, 6A, and 1 of Si, which are different from those in the composition formula 3 of the layer B, except for W, Mo, V, and Nb. It is an example of invention in which the atomic ratio was substituted in the range of 0.3 or less with the metal element M1 chosen from more than a species. Inventive Example 21 replaces W with Al. Inventive Example 22 substitutes Mo for Si. Inventive Example 23 replaces V with Ti. As a result, the film hardness was increased.

또한, 층 A가 Cr계 성분 조성의 발명예 24 내지 28은 Ti계 성분 조성의 상기 발명예에 비해 경도는 낮다. 그러나, 상기한 바와 같이, 미끄럼 운동 부재에 사용되었을 경우, Ti계 성분 조성에 비해 상대재에 대한 공격성이 낮은 특징이 있다.In addition, Examples 24 to 28 of the Cr-based component composition of the layer A have a lower hardness than the above-described invention examples of the Ti-based component composition. However, as described above, when used for the sliding member, there is a characteristic that the aggressiveness to the counterpart material is lower than that of the Ti-based component composition.

따라서, 이들 결과로부터, 본 발명에 있어서의 층 B의 각 조성 규정의 의의가 뒷받침된다.Therefore, from these results, the meaning of each composition regulation of the layer B in this invention is supported.

Figure 112005006154982-PAT00018
Figure 112005006154982-PAT00018

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 경질 피막 및 이 경질 피막의 결정 입자 직경을 제어하는 방법은 암염 구조형 경질 피막의 결정 입자 직경을 미세화시켜서, 경질 피막의 내마모성 등의 특성을 개선할 수 있다. 따라서, 초경합금, 서멧 또는 고속도 공구강 등을 기재로 하는 절삭 공구나 자동차용 미끄럼 운동 부재 등의 내 마모성 피막에 적용할 수 있다. As described above, the hard coating of the present invention and the method for controlling the crystal grain diameter of the hard coating can refine the crystal grain diameter of the rock salt-structure hard coating, thereby improving characteristics such as wear resistance of the hard coating. Therefore, it can be applied to wear-resistant coatings such as cutting tools based on cemented carbide, cermet or high speed tool steel, and sliding members for automobiles.

또한, 본 발명에 따르면, 내마모성이나 내산화성이 우수한 경질 적층 피막 및 경질 적층 피막의 형성 방법을 제공할 수 있다. 따라서, 초경합금, 서멧 또는 고속도 공구강 등을 기재로 하는 절삭 공구나 자동차용 미끄럼 운동 부재 등의 내마모성 피막에 적용할 수 있다.Moreover, according to this invention, the formation method of a hard laminated film and a hard laminated film excellent in abrasion resistance and oxidation resistance can be provided. Therefore, it can be applied to wear-resistant coatings such as cutting tools based on cemented carbide, cermet or high speed tool steel, and sliding members for automobiles.

또한, 본 발명에 따르면, 성막상의 문제가 발생하지 않고, 원하는 특성의 경질 피막을 얻을 수 있는, 복합 성막 장치 및 스퍼터링 증발원을 제공할 수 있다.Moreover, according to this invention, the composite film-forming apparatus and sputtering evaporation source which can obtain the hard film of a desired characteristic without the problem of film-forming forming can be provided.

Claims (23)

경질 적층 피막으로서, 특정 조성으로 이루어진 층 A 및 층 B가 교대로 적층되어 있고, 층 A의 결정 구조와 층 B의 결정 구조가 상이하며, 1층당 층 A의 두께가 1층당 층 B의 두께의 2배 이상이고, 1층당 층 B의 두께가 0.5nm 이상이고, 1층당 층 A의 두께가 200nm 이하인 경질 적층 피막.As a hard laminated film, the layer A and the layer B which consist of a specific composition are alternately laminated | stacked, the crystal structure of layer A differs from the crystal structure of layer B, and the thickness of layer A per layer is the thickness of layer B per layer The hard laminated film which is 2 times or more, the thickness of layer B per layer is 0.5 nm or more, and the thickness of layer A per layer is 200 nm or less. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 층 A가 입방정 암염형 구조를 가지며, 상기 층 B가 입방정 암염형 구조 이외의 결정 구조를 갖는 경질 적층 피막.The said laminated layer A has a cubic rock salt structure, and said layer B has a crystal structure other than a cubic rock salt structure. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 층 A가 4A, 5A, 6A 및 Al, Si의 1종 이상에서 선택되는 원소와, B, C, N의 1종 이상에서 선택되는 원소와의 화합물이며,The layer A is a compound of an element selected from at least one of 4A, 5A, 6A and Al and Si, and an element selected from at least one of B, C and N, 상기 층 B가 4A, 5A, 16A 및 Al의 1종 이상에서 선택되는 원소와, B, C, N의 1종 이상에서 선택되는 원소와의 화합물 중에서 선택되거나, B, Si, Cu, Co, Ni, C의 1종 이상에서 선택되는 원소의 질화물, 탄질화물, 탄화물 중에서 선택되거나, 금속 Cu, 금속 Co, 금속 Ni 중에서 선택되는 것인 경질 적층 피막.The layer B is selected from compounds of an element selected from at least one of 4A, 5A, 16A and Al, and an element selected from at least one of B, C, N, or B, Si, Cu, Co, Ni The hard laminated film which is chosen from nitride, carbonitride, carbide of the element chosen from 1 or more types of C, or is selected from metal Cu, metal Co, and metal Ni. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 층 A가 Ti, Cr, Al, V 중 어느 하나를 포함한 질화물, 탄질화물, 탄화물 중 어느 하나이며, 상기 층 B가 BN, BCN, SiN, SiC, SiCN, B-C 또는 Cu, CuN, CuCN, 또는 금속 Cu에서 선택된 경질 적층 피막.The layer A is any one of nitride, carbonitride, carbide including any one of Ti, Cr, Al, and V, and the layer B is BN, BCN, SiN, SiC, SiCN, BC or Cu, CuN, CuCN, or Hard laminated film selected from metallic Cu. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 층 A 및 상기 층 B가 이하에 나타내는 조성을 갖는 경질 적층 피막. The hard laminated film which has the composition which the said layer A and the said layer B show below. 층 A: (Cr1-αXα)(BaCbN1-a-b-cOc) e Layer A: (Cr 1-α X α ) (B a C b N 1-abc O c ) e [상기에서, X는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Al 및 Si로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 원소이며, 0≤α≤ 0.9, 0≤ a≤ 0.15, 0≤ b≤ 0.3, 0≤ c≤ 0.1, 0.2≤ e≤ 1.1(α는 X의 원자비를 나타내고, a, b, c는 각각 B, C, O의 원자비를 나타낸다. 이하 동일)이다] [In the above, X is one or two or more elements selected from the group consisting of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Al, and Si, and 0 ≦ α ≦ 0.9, 0 ≦ a ≦ 0.15, 0 ≤ b ≤ 0.3, 0 ≤ c ≤ 0.1, 0.2 ≤ e ≤ 1.1 (α represents an atomic ratio of X, and a, b, c represent atomic ratios of B, C, and O, respectively. to be] 층 B: B1-s-tCsNt Layer B: B 1-st C s N t [상기에서, 0≤ s≤ 0.25, (1-s-t)/t≤1.5(s, t는 각각 C, N의 원자비를 나타낸다. 이하 동일)][In the above, 0 ≦ s ≦ 0.25, (1-s-t) /t≦1.5 (s and t each represent the atomic ratio of C and N. The same below) , 또는 Si1-x-yCxNy Or Si 1-xy C x N y [상기에서, 0≤ x≤ 0.25, 0.5≤(1-x-y)/y≤ 1.4(x, y는 각각 C, N의 원자비를 나타낸다. 이하 동일)] [In the above, 0 ≦ x ≦ 0.25, 0.5 ≦ (1-x-y) /y≦1.4 (x and y represent atomic ratios of C and N, respectively. The same below)] 또는 C1-uNu Or C 1-u N u [상기에서, 0≤ u≤ 0.6(u는 N의 원자비를 나타낸다. 이하 동일)이다] [In the above, 0 ≦ u ≦ 0.6 (u represents an atomic ratio of N. The same below)] 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, wherein 상기 α가 0인 경질 적층 피막.A hard laminated film wherein α is zero. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, wherein 상기 α가 0.05 이상인 경질 적층 피막. A hard laminated film, wherein α is 0.05 or more. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, wherein 상기 층 A가 암염 입방정 구조를 가지며, CuKα선을 이용하여 θ-2θ법으로 측정하여 수득된 X선 회절 패턴으로 관찰되는 (111)면 및 (200)면으로부터의 회절선의 반치폭 중 한쪽 이상이 0.3° 이상인 경질 적층 피막.The layer A has a rock salt cubic structure, and at least one of half widths of the diffraction lines from the (111) plane and the (200) plane observed in the X-ray diffraction pattern obtained by the θ-2θ method using CuKα rays is 0.3. Hard laminated film of more than °. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 층 A는 하기 화학식 1의 조성으로 이루어지며, 상기 층 B는 하기 화학식 2, 화학식 3, 화학식 4, 화학식 5 중 어느 한 조성에서 선택된 조성으로 이루어진 경질 적층 피막. The layer A is made of a composition of the following formula (1), wherein the layer B is a hard laminated film consisting of a composition selected from any one of the following formula (2), (3), (4), (5). 화학식 1Formula 1 (Ti1-x-yAlxMy)(BaCbN1-a-b-cOc )(Ti 1-xy Al x M y ) (B a C b N 1-abc O c ) [상기에서, x, y, a, b, c는 각각 원자비를 나타내고, 0.4≤ x≤ 0.8, 0≤ y≤ 0.6, 0≤ a≤ 0.15, 0≤ b≤ 0.3, 0≤ c≤ 0.1, M은 4A, 5A, 6A, Si의 1종 이상에서 선택된 금속 원소][In the above, x, y, a, b, c each represent an atomic ratio, 0.4 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ y ≦ 0.6, 0 ≦ a ≦ 0.15, 0 ≦ b ≦ 0.3, 0 ≦ c ≦ 0.1, M is a metal element selected from at least one of 4A, 5A, 6A and Si] 화학식 2Formula 2 B1-x-yCxNy B 1-xy C x N y [상기에서, x, y는 각각 원자비를 나타내고, 0≤ x≤ 0.25, B/N≤ 1.51][In the above, x and y each represent an atomic ratio, 0 ≦ x ≦ 0.25, B / N ≦ 1.51] 화학식 3Formula 3 Si1-x-yCxNy Si 1-xy C x N y [상기에서, x, y는 각각 원자비를 나타내고, 0≤ x≤ 0.25, 0.5≤ Si/N≤ 2.0][Wherein, x and y each represent an atomic ratio, 0 ≦ x ≦ 0.25, 0.5 ≦ Si / N ≦ 2.0] 화학식 4Formula 4 C1-xNx C 1-x N x [상기에서, x는 원자비를 나타내고, 0≤ x≤ 0.6][Wherein, x represents an atomic ratio and 0 ≦ x ≦ 0.6] 화학식 5Formula 5 Cu1-y(CxN1-x)y Cu 1-y (C x N 1-x ) y [상기에서, x, y는 각각 원자비를 나타내고, 0≤ x≤ 0.1, 0≤ y≤ 0.5][Wherein, x and y each represent an atomic ratio, 0 ≦ x ≦ 0.1, 0 ≦ y ≦ 0.5] 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 층 A가 (Ti1-x-yAlxMy)(BaCbN1-a-b-c Oc)[여기서, x, y, a, b, c는 각각 원자비를 나타내고, 0.5≤ x≤ 0.8, 0.05≤ y≤ 0.6, 0≤ a≤ 0.15, 0≤ b≤ 0.3, 0≤ c≤ 0.1, M은 Cr, V, Si의 1종 이상에서 선택되는 금속 원소]의 조성으로 이루어진 경질 적층 피막.The layer A is (Ti 1-xy Al x M y ) (B a C b N 1-abc O c ), wherein x, y, a, b, and c each represent an atomic ratio, and 0.5 ≦ x ≦ 0.8 , 0.05 ≦ y ≦ 0.6, 0 ≦ a ≦ 0.15, 0 ≦ b ≦ 0.3, 0 ≦ c ≦ 0.1, and M is a metal element selected from one or more of Cr, V, and Si]. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 특정 조성으로 이루어진 층 A 및 층 B가 층 A와 층 B의 조성이 서로 상이하도록 교대로 적층되어 있고, 층 A는 다음 화학식 1 또는 6 중 어느 하나의 조성으로 이루어지며, 층 B은 다음 화학식 7로 이루어진 경질 적층 피막.Layers A and B made of a specific composition are alternately stacked so that the compositions of layers A and B are different from each other, layer A consists of any one of the following formulas (1) and (6), and layer B has the following formula (7): Hard laminated film consisting of. 화학식 1Formula 1 (Ti1-x-yAlxMy)(BaCbN1-a-b-cOc )(Ti 1-xy Al x M y ) (B a C b N 1-abc O c ) [상기에서, x, y, a, b, c는 각각 원자비를 나타내고, 0.4≤ x≤ 0.8, 0≤ y≤ 0.6, 0≤ a≤ 0.15, 0≤ b≤ 0.3, 0≤ c≤ 0.1이고, M은 4A, 5A, 6A, Si의 1종 이상에서 선택된 금속 원소][In the above, x, y, a, b, and c each represent an atomic ratio, 0.4 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ y ≦ 0.6, 0 ≦ a ≦ 0.15, 0 ≦ b ≦ 0.3, and 0 ≦ c ≦ 0.1. , M is a metal element selected from at least one of 4A, 5A, 6A, and Si] 화학식 6Formula 6 (Cr1-αXα)(BaCbN1-a-b-cOc)e (Cr 1-α X α ) (B a C b N 1-abc O c ) e [상기에서, α, a, b, c, e는 각각 원자비를 나타내고, 0≤α≤ 0.9, 0≤ a≤ 0.15, 0≤ b≤ 0.3, 0≤ c≤ 0.1, 0.2≤ e≤ 1.1이고, [In the above, α, a, b, c, and e represent atomic ratios, respectively, 0 ≦ α ≦ 0.9, 0 ≦ a ≦ 0.15, 0 ≦ b ≦ 0.3, 0 ≦ c ≦ 0.1, 0.2 ≦ e ≦ 1.1 , X는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Al, Si 중 어느 1종 이상에서 선택된 금속 원소]X is a metal element selected from any one or more of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Al, Si] 화학식 7 Formula 7 M1-dM1d(BaCbN1-a-b-cOc)M 1-d M1 d (B a C b N 1-abc O c ) [상기에서, M은 W, Mo, V, Nb 중 어느 1종 이상에서 선택되는 금속 원소, M1은 상기 W, Mo, V, Nb를 제외한, 4A, 5A, 6A, Si의 1종 이상에서 선택되는 금속 원소, a, b, c, d는 각각 원자비를 나타내고, 0≤ a≤ 0.15, 0≤ b≤ 0.3, 0≤ c≤ 0.1, 0≤ d≤ 0.3] [In the above, M is a metal element selected from any one or more of W, Mo, V, Nb, M1 is selected from one or more of 4A, 5A, 6A, Si, excluding the W, Mo, V, Nb. The metal elements, a, b, c, and d, respectively, represent an atomic ratio, and 0 ≦ a ≦ 0.15, 0 ≦ b ≦ 0.3, 0 ≦ c ≦ 0.1, and 0 ≦ d ≦ 0.3]. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 상기 층 A가 (Ti1-x-yAlxMy)(BaCbN1-a-b-c Oc)로 표시되는 경질 적층 피막.Hard laminated film in which said layer A is represented by (Ti 1-xy Al x M y ) (B a C b N 1-abc O c ). [상기에서, x, y, a, b, c는 각각 원자비를 나타내고, 0.5≤ x≤ 0.8, 0.05≤ y≤ 0.6, 0≤ a≤ 0.15, 0≤ b≤ 0.3, 0≤ c≤ 0.1이고, M은 Cr, V, Si의 1종 이상에서 선택되는 금속 원소][In the above, x, y, a, b, c each represents an atomic ratio, and 0.5 ≦ x ≦ 0.8, 0.05 ≦ y ≦ 0.6, 0 ≦ a ≦ 0.15, 0 ≦ b ≦ 0.3, and 0 ≦ c ≦ 0.1. , M is a metal element selected from one or more of Cr, V, Si] 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 상기 층 B에서 d=0인 경질 적층 피막.A hard laminated film having d = 0 in the layer B. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 상기 층 B에서 M이 V인 경질 적층 피막.The hard laminated film whose M in the said layer B is V. FIG. 제 1 항에 따른 경질 적층 피막을 형성하는 방법으로서, 자장 인가 기능을 함께 갖 는 아크 증발원 및 스퍼터링 증발원이 동일 진공 용기내에 각각 1대 이상 구비된 성막 장치를 이용하여, 반응 가스를 포함하는 성막 분위기 중에서, 아크 증발원과 스퍼터링 증발원을 동시에 작동시킴으로써 아크 증발원으로부터 상기 층 A의 성분을, 스퍼터링 증발원으로부터 상기 층 B의 성분을 각각 증발시키는 동시에, 기판을 상기 각 증발원에 대하여 상대적으로 이동시켜서, 기판상에 상기 층 A와 상기 층 B를 교대로 적층하는 경질 적층 피막의 형성 방법.A method of forming a hard laminated film according to claim 1, comprising: a film forming atmosphere containing a reaction gas, using a film forming apparatus having at least one arc evaporation source and a sputtering evaporation source each having a magnetic field applying function, respectively, in the same vacuum vessel. In which the components of the layer A are respectively evaporated from the arc evaporation source and the components of the layer B from the sputtering evaporation source by simultaneously operating the arc evaporation source and the sputtering evaporation source, and the substrate is moved relative to each evaporation source, A method of forming a hard laminated film in which the layers A and B are alternately laminated. 제 15 항에 있어서,The method of claim 15, 상기 성막 분위기를, 상기 반응 가스와 스퍼터링용 불활성 가스와의 혼합 가스로 하고, 이 반응 가스의 분압을 0.5 Pa 이상으로 하는 경질 적층 피막의 형성 방법.The said film-forming atmosphere is made into the mixed gas of the said reaction gas and the sputtering inert gas, and the partial pressure of this reaction gas is made into 0.5 Pa or more, The formation method of the hard laminated film. 제 15 항에 있어서,The method of claim 15, 상기 아크 증발원과 상기 스퍼터링 증발원을 동시에 작동시켜서 질소를 함유하는 경질 피막을 형성할 때에, 스퍼터링 가스 중에 질소를 혼합시키고, 혼합한 질소의 분압을 0.5 Pa 이상으로 하는 경질 적층 피막의 형성 방법.A method for forming a hard laminated film, wherein the arc evaporation source and the sputtering evaporation source are operated simultaneously to form a hard film containing nitrogen, wherein nitrogen is mixed in the sputtering gas and the partial pressure of the mixed nitrogen is 0.5 Pa or more. 성막 챔버; Deposition chambers; 상기 성막 챔버내에 배치된, 자장 인가 기구를 갖는 아크 증발원; An arc evaporation source having a magnetic field application mechanism disposed in the deposition chamber; 상기 성막 챔버내에 배치된, 자장 인가 기구를 갖는 스퍼터링 증발원; 및 A sputtering evaporation source having a magnetic field applying mechanism, disposed in the deposition chamber; And 성막되는 기판을 상기 아크 증발원과 상기 스퍼터링 증발원 사이에서 이동시키는 수단으로 이루어지고, Means for moving the substrate to be deposited between the arc evaporation source and the sputtering evaporation source, 성막 중에 인접하는 상기 증발원끼리의 자력선이 서로 이어지도록 상기 자장 인가 기구가 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 성막 장치.The film forming apparatus is characterized in that the magnetic field applying mechanism is configured such that magnetic lines of force between adjacent evaporation sources are connected to each other during film formation. 제 18 항에 있어서,The method of claim 18, 성막 중에, 스퍼터링 가스를 상기 스퍼터링 증발원 근방으로부터 도입하고, 반응 가스를 상기 아크 증발원 근방으로부터 도입하는 성막 장치.During film formation, a sputtering gas is introduced from the vicinity of the sputtering evaporation source and a reaction gas is introduced from the vicinity of the arc evaporation source. 제 18 항에 있어서,The method of claim 18, 상기 스퍼터링 증발원으로서, 에로젼(erosion) 영역 이외의 부분에 전기적으로 절연체인 재료를 사용하고 있는 성막 장치.The film-forming apparatus which uses the electrically insulating material in parts other than an erosion area | region as said sputtering evaporation source. 제 18 항에 있어서, The method of claim 18, 상기 스퍼터링 증발원으로서, 에로젼 영역 이외의 부분에 스퍼터링 타겟의 전위에 대하여 플로팅 전위 또는 그라운드 전위로 되는 실드가 구비되어 있는 성막 장치.A film forming apparatus, wherein, as the sputtering evaporation source, a shield is formed at a portion other than the erosion region to become a floating potential or a ground potential with respect to the potential of the sputtering target. 제 18 항에 따른 성막 장치에 사용되는 스퍼터링 증발원으로서, 에로젼 영역 이외의 부분에 전기적으로 절연체인 재료가 사용되고 있는 스퍼터링 증발원.A sputtering evaporation source used as a sputtering evaporation source for use in the film forming apparatus according to claim 18, wherein an electrically insulating material is used in portions other than the erosion region. 제 18 항에 따른 성막 장치에 사용되는 스퍼터링 증발원으로서, 에로젼 영역 이외 의 부분에 스퍼터링 타겟의 전위에 대하여 플로팅 전위 또는 그라운드 전위로 되는 실드가 구비되어 있는 스퍼터링 증발원. A sputtering evaporation source used for the film forming apparatus according to claim 18, wherein a portion other than the erosion region is provided with a shield which becomes a floating potential or a ground potential with respect to the potential of the sputtering target.
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